18 Принципы построения многокаскадных усилительных трактов

С помощью однотранзисторного каскада обычно не удается обеспечить желаемого усиления, необходимых свойств по входному или выходному сопротивлению, требуемых по условиям работы предельных значений выходных сигнальных токов и напряжений. В связи с этим усилительные тракты приходится выполнять по многокаскадной схеме, включающей два или более каскадов.

В общей структуре усилительного тракта можно выделить три ее основных функциональных звена. Это входной каскад, один или несколько каскадов предварительного усиления, выходной каскад. На входной каскад кроме функции усиления возложена задача согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением входного каскада. Под согласованием здесь понимаются мероприятия по повышению коэффициента передачи входной цепи, которые обычно достигаются за счет применения во входном каскаде схемных конфигураций с повышенным входным сопротивлением. Так включение на входе тракта дополнительного каскада ОК хотя и не приводит к повышению усиления в самом тракте, но приближает коэффициент передачи сигнала во входной цепи к его предельному значению, равному единице.

Во входной цепи до входа УП обычно находится орган регулировки усиления. Благодаря этому устраняется возможность перегрузки УП сигналами предельной интенсивности.

Основной функцией промежуточных каскадов является обеспечение основного усиления по напряжению. Обычно эти каскады обладают высоким усилением, в связи с чем при их организации особое внимание обращается на обеспечение устойчивой и стабильной работы.

Выходные каскады предназначены для создания в нагрузке обычно больших токов и напряжений, т. е. больших сигнальных мощностей. Поэтому их часто называют усилителями мощности. Эти каскады являются определяющими при формировании СПХ и проявлению нелинейных свойств тракта в целом. При организации схем выходных каскадов основное внимание уделяется не столько обеспечению в них высокого усиления сигнальных напряжений, сколько максимизации выходной сигнальной мощности, повышению коэффициента полезного действия. Последнее обусловлено не только стремлением снизить энергопотребление, но и желанием уменьшить тепловыделение при создании требуемой сигнальной мощности, что косвенно создает условия по снижению габаритов усилительных траков, особенно при создании выходных мощностей в 5…10 Вт и более.

Существует несколько способов организации межкаскадных связей.

1. Усилители с непосредственными межкаскадными связями

В многокаскадном усилительном тракте сигналы с выхода предшествующего каскада поступают на вход последующего. Простейшей межкаскадной связью, с помощью которой осуществляется эта передача, является непосредственная связь, когда выходные клеммы предшествующего каскада непосредственно соединены с входом последующего, как на переменном, так и на постоянном токе.

К схемам с непосредственными межкаскадными связями относится двухтранзисторный усилительный тракт ОЭ-ОБ (рисунок 1а), в котором выходной (коллекторный) вывод транзистора схемы ОЭ непосредственно соединен с входом (эмиттерным) зажимом транзистора схемы ОБ. На рисунке 1б приведен вариант схемного построения ОЭ-ОБ, которое хотя и требует для своей работы двух источников питания, но упрощает схему питания базовых цепей транзисторов. Питание выходных цепей каскадов в схемам на рисунке 1 организовано по так называемой схеме последовательного питания каскадов. В этой схеме выходные цепи транзисторов образуют последовательную цепь, в результате в выходных цепях обеих транзисторов протекают практически одинаковые токи.

Рисунок 1. Схемы с последовательным питанием

При питании каскадов по параллельной схеме выходные цепи образуют параллельные ветви. На рисунке 2 приведен пример такого построения питания каскадов для двухтранзисторного усилителя типа ОЭ-ОЭ. При этом в схеме на рисунке 3 осуществляется чередование каскадов по типу проводимости. Такое чередование позволяет обеспечить в многокаскадных трактах с непосредственными межкаскадными связями работу при пониженных значениях питающего напряжения так, как в схеме на рисунке 3 по сравнению со схемой на рисунке 2 потенциал коллектора в выходном транзисторе имеет пониженное значение.

Рисунок 2. Схема с непосредственными связями

Рисунок 3. Использование транзисторов различного типа проводимости

К достоинствам непосредственных межкаскадных связей следует отнести простоту их реализации, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе за счет охвата усилительного тракта общей петлей ООС. Непосредственная межкаскадная связь широко используется в усилителях постоянного тока и в аналоговых микросхемах.

Частным случаем непосредственной межкаскадной связи является так называемая гальваническая межкаскадная связь, которая в отличие от непосредственной предполагает включение в цепь межкаскадной связи потенциалопонижающей схемы называемой схемой сдвига уровня (ССУ). Обычно в качестве ССУ используют резистивные цепи, прямо смещенные диоды или стабилитроны. В отличие от непосредственной гальваническая межкаскадная связь обеспечивает отличие постоянного потенциала на входе последующего каскада от соответствующего потенциала предшествующего на определенную величину, называемую напряжением сдвига.

Работу схемы сдвига уровня стараются организовать таким образом, чтобы она не влияла на прохождение сигнала. Пример простейшей ССУ, обладающей этим свойством, приведен на рисунке 4. В ней в роли потенциалосдвигающего элемента использован стабилитрон VD₁. Дифференциальное сопротивление стабилитрона пренебрежимо мало, в результате чего он практически не снижает уровень сигнала при его прохождении от транзистора VТ₁ к транзистору VТ₂.

Рисунок 4. Пример схемы с гальванической связью