Особенности многокаскадных усилителей

В многокаскадных усилителях (рисунок 10) число каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления К_U, К_I, К_P. Чем больше коэффициент усиления, тем больше количество каскадов, последовательно соединенных между собой.

В многокаскадных усилителях выходной сигнал первого и любого промежуточного каскада служит входным сигналом последующего каскада.

Нагрузкой каскада является входное сопротивление последующего каскада. Первый каскад называется входным, каскад N – 1 есть предоконечный каскад, N-оконечный или выходной каскад – обычно усилитель мощности. Все остальные, расположенные между первым каскадом и каскадом N – 1, называются промежуточными.

Е_г, R_г – входная цепь усилителя, в выходной цепи стоит R_н.

R_г

E_г

U_вх1

U_вых1=U_вх2

U_вых2 =

=U_вх2(N-1)

U_вых(N-1) =

=U_вх1

U_выхN

1

2

N – 1

N

~

Рисунок 10 – Структурная схема многокаскадного усилителя

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов:

С увеличением числа каскадов коэффициент частотных искажений увеличивается: М = М₁ · М₂ · М₃ и т. д., следовательно, ∆f усилителя уменьшается.

Угол фазового сдвига в многокаскадном усилителе равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в схеме: φ = φ₁ + φ₂ +…

Режимы работы усилительных каскадов (классы усиления)

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения различают три основных режима работы усилительных каскадов или классов усиления: A, B, C.

Основные характеристики этих режимов:

– нелинейные искажения;

– коэффициент полезного действия (КПД).

Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) входной и переходной характеристик и соответственно посередине линии нагрузки на семействе выходных характеристик. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т. е. при подаче на вход усилительного каскада гармоничного напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широко применяют в усилителях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток – очень низкий КПД усилителя.

КПД усилителя определяется отношением выходной мощности Р_вых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Р₀:

η = Р_вых / Р₀ ,

где P_вых = 0,5 · ( , – амплитуды коллекторных напряжения и тока);

P₀ = U₀ · I₀ – потребляемая мощность, которая частично преобразуется в выходную мощность, а частично переходит в теплоту, выделяемую на элементах усилительного каскада, т. е. Р₀ равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора.

Из рисунка 11 видно, что амплитуды переменных составляющих коллекторных напряжения и тока в режиме А меньше соответствующих постоянных составляющих, т. е. < U₀ и < I₀. Следовательно, КПД усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5, в действительности он редко превышает 0,35. Поэтому, например, в усилителях мощности, для которых КПД имеет существенное значение, режим А используется очень редко.

Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П1 выбирают в начале переходной характеристики. Это точка отсечки (рисунок 12).

I_К

I_К

I_К-П

i_К

U_К-П

U_К

I_Б

I_Б

I_Б-П

i_Б

U_Б

П

П

П

0

0

0

U_вх

U_вых

Рисунок 11 – Положение рабочей точки в режиме А

на характеристиках усилительного каскада

I_К

U_вх

U_вых

I_К

I_Б

0

П1

П1

Рисунок 12 – Положение рабочей точки в режиме В

на характеристиках усилительного каскада

В режиме В переменные составляющие I и U транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение УК при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. возникают очень большие нелинейные искажения. Режим В характеризуется значительно более высоким КПД усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя I_Бо практически равен 0, а постоянная составляющая тока I₀ имеет очень маленькое значение, т. е. >> I₀. КПД усилителя в режиме В может достигать 80 %. Поэтому режим В используется обычно в усилителях мощности.

Иногда используется режим работы УК, промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка при этом должна находиться в интервале между положениями рабочей точки в режимами А и В. В этом случае КПД усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

Р

I_К

ежим С характеризуется тем, что рабочую точку П2 выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рисунок 13).

I_Б

I_К

П1

П2

П2

Рисунок 13 – Положение рабочей точки в режиме С

на характеристиках усилительного каскада

Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД может быть очень высоким и приближаться к 1. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего из-за больших нелинейных искажений.