3.4.10 Многокаскадный усилитель
Если одиночный каскад усиления не обеспечивает требования предъявленные к усилителю сигналов по коэффициенту усиления, полосе пропускания, входным и выходным сопротивлениям, стабильности и т.п., то для реализации заданных свойств соединяют последовательно несколько усилительных каскадов. Для обеспечения заданного коэффициента усиления достаточно соединить последовательно одиночные каскады одного типа. Общий коэффициент усиления в этом случае определяется соотношением:
Кобщ = К1 . К2 . К3 ..... Кn, (3.91)
где Кn – коэффициент усиления одиночного каскада,
n – количество каскадов.
Для повышения стабильности параметров в многокаскадном усилителе вводят различные виды ОС. Функциональная схема такого усилителя приведена на рисунке 3.28а. ОС может охватывать весь усилитель (Еn+1) или часть его каскадов (Еn+2).
Для обеспечения согласования по входному и выходному сопротивлениям входной и оконечный каскад выполняют по схеме с общим коллектором, обеспечивая высокое входное и низкое выходное сопротивления. На рисунке 3.28б в качестве примера приведена схема трехкаскадного широкополосного усилителя, способного работать на низкоомную нагрузку. Первый и второй каскад – это резонансные усилители, имеющие АЧХ с максимумами смещенными по частоте (рисунок 3.25в). Каскад на транзисторе VT3 – это эмиттерный повторитель, осуществляющий согласование с нагрузкой. В результате усилитель в целом имеет большую полосу пропускания.
а
б в
а – функциональная схема: Е1...Еn – усилители; Еn+1, Еn+2 – цепи обратной связи; б – трехкаскадный резонансный широкополосный усилитель с малым выходным сопротивлением; в – АЧХ отдельных каскадов и всего усилителя.
Рисунок 3.28 – Многокаскадные усилители
3.4.11 Усилитель постоянного тока (упт)
УПТ – это усилители медленно изменяющихся по времени сигналов (аналоговые сигналы постоянного тока). Нижняя граничная частота таких сигналов составляет единицы и доли герца. Т. к. для передачи таких сигналов нельзя применять трансформаторы и емкости, то используют усилители с гальванической связью. Как правило, входные сигналы УПТ по амплитуде имеют малое значение – это вызывает необходимость реализации многокаскадных усилителей. Кроме того, входные сигналы УПТ соизмеримы с помехами за счет температурной нестабильности и нестабильности напряжения питания. Все эти факторы создают дополнительные трудности при создании усилителей постоянного тока. Рассмотрим работу двухкаскадного УПТ с непосредственными связями (рисунок 3.29а)
а б
в г
а – двухкаскадный; б – с компенсирующими делителями; в – на транзисторах разной проводимости; г – с двумя источниками питания;
Рисунок 3.29 – Усилители постоянного тока
Из схемы следует, что а = б. В соответствии законом Кирхгоффа
а = Iэ1 R4 + Uкэ1;
б = Iэ2
R6
+ Uбэ2 ,
следовательно, Iэ1 R4 + Uкэ1 = Iэ2 R6 + Uбэ2.
Если предположить, что токи транзисторов в режиме покоя одинаковы, то R6 > R4, потому что Uбэ < Uкэ. На резисторах R4 и R6 создается напряжение ООС, в связи с этим коэффициент усиления последующих каскадов будет значительно меньше и коэффициент усиления всего каскада не может быть получен большой величины. Второй недостаток этой схемы – отсутствие развязки источника сигнала и нагрузки от источника питания усилителя. Протекание постоянного тока через источник сигнала может нарушить его работу, а ток от источника, протекающий через нагрузку, создает на ней падение напряжения. Величина этого напряжения может достигать половины напряжения источника питания (см.раздел 3.4.4), даже при отсутствии входного сигнала. Так как коэффициент усилителя небольшой, то различить полезный сигнал на фоне значительного начального напряжения довольно сложно. Для устранения этого явления вводят компенсирующие напряжения. В режиме покоя с помощью делителей напряжения R1, R2 и R7, R8 добиваются, чтобы, а = б, а с = d (рисунок 3.29б). Однако в этом случае возникают сложности при создании многокаскадных усилителей: ведь Uвх и Uвых не имеют общей точки. Кроме того, уменьшается КПД каскада из-за дополнительных потерь на делителях и транзистор усилителя дополнительно загружается делителем R7, R8. На рисунке 3.29в приведена схема двухкаскадного УПТ на транзисторах различного типа проводимости. В этой схеме для хорошей термостабилизации UR6 Un/3, что хорошо согласуется с падением напряжения на резисторе R4 при выборе рабочей точки VT1 на середине линейного участка передаточной характеристики. Выравнивание потенциалов на входе и выходе можно осуществить так же, как и в предыдущей схеме.
Приведение входного и выходного потенциалов в режиме покоя к нулевому значению удачно решается при питании УПТ от двух разнополярных источников питания (рисунок 3.29г). Расчет элементов схемы ведется из условия: чтобы при Uвх = 0, а = 0 и d = 0. При этом UR5 = к, а UR6 = Еn2. Ток делителя R5, R6 выбирают из условия: Iд = (0,02 0,1) Iк. Подключение к выходу транзистора делителя уменьшает коэффициент усиления каскада. Величину коэффициента усиления можно определить из соотношения
,
где КU0 – коэффициент усиления усилителя без подключенного делителя.
Снижение КU незначительно, если R6 > R5, т. е. Un2 > Un1. УПТ имеют еще один специфический недостаток, выражающийся в самопроизвольном изменении выходного напряжения во времени, не связанном с входным сигналом, который называют дрейфом нуля. Дрейф нуля обусловлен тем, что с течением времени изменяются токи и напряжения на электродах за счет изменения температуры, напряжения питания, старения транзисторов и т.п., что вызывает нарушение компенсации потенциалов, т.е. на выходе появляется напряжение при Uвх = 0. Дрейф нуля оценивают значением входного сигнала, которое вызывает эквивалентное дрейфу изменение выходного напряжения за единицу времени.
Uдр = Uвых/К (при Uвх = 0) .
Дрейф нуля не позволяет усиливать сигналы постоянного тока малой амплитуды, так как он принципиально не отличается от полезного сигнала.