5 сем САУ Л5М1

Модуль 1. Схемотехника элементов аналоговых электронных устройств

Лекция 5

МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Учебные вопросы:

1. Показатели многокаскадных усилителей.

2. Особенности построения и расчета многокаскадных усилителей.

1. Показатели многокаскадных усилителей

С помощью одиночного каскада трудно обеспечить желаемое усиление сигналов (обычно более 10²), необходимые свойства усилительной схемы по ее входному или выходному сопротивлению, требуемые по условиям работы предельные значения выходных токов и напряжений. В связи с этим усилительные тракты приходится выполнять по многокаскадной схеме, включающей два и более последовательно соединенных каскадов.

В общей структуре многокаскадного усилительного тракта можно выделить три основных звена. Это входной каскад, один или несколько каскадов предварительного усиления, выходной или выходные каскады. На входной каскад помимо основной функции (функции усиления) возложена задача согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением усилительного тракта. Под согласованием здесь понимаются мероприятия по повышению коэффициента передачи входной цепи, которое достигается, в первую очередь, за счет использования во входном каскаде схемных конфигураций с повышенным входным сопротивлением. Так, включение на входе усилительного тракта дополнительного каскада с ОК (ОС) хотя и не приводит к повышению коэффициента усиления по напряжению самого тракта, но приближает значение коэффициента передачи входной цепи к его предельному значению, равному единице.

Во входном каскаде стремятся располагать и органы регулировки усиления, при этом цепи регулировки во избежание возможной перегрузки усилительного прибора сигналами большого уровня возможности располагают до его входных зажимов.

В ряде случаев к усилительному тракту предъявляется требование предельной чувствительности. При этом схемное и конструктивное выполнение входного каскада должно быть реализовано с учетом его малошумного построения, предполагающего использование основных схем включения усилительного прибора (включений с ОЭ (ОИ)), отказ от применения во входных каскадах ПТ с изолированным затвором.

Рис. 1.1

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

Перечисленные каскады в многокаскадных усилителях соединяются между собой последовательно таким образом, чтобы выходной сигнал предыдущего каскада являлся входным сигналом последующего. Поэтому усилитель, состоящий, например, из двух каскадов, можно представить в виде эквивалентной схемы, изображенной на рис. 1.1.

В этом случае коэффициенты усиления (КУ) по напряжению первого и второго каскадов будут равны:

, .

Тогда коэффициент усиления всего усилителя равен:

Очевидно, для усилителя, составленного из n каскадов (рис. 1.2), имеем

Рис. 1.2

Часто КУ представляют в логарифмических единицах – децибелах. КУ по мощности, выраженный в децибелах,

Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения,

Представление коэффициента усиления в децибелах позволяет находить общий КУ усилителя простым алгебраическим суммированием коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для n-каскадного усилителя можно записать

или

Частотные искажения многокаскадного усилителя определяются частотными искажениями в отдельных каскадах.

Коэффициент частотных искажений отдельного каскада, характеризующий частотные искажения данного каскада определяется как отношение КУ на средней частоте к КУ на рассматриваемой частоте:

Тогда коэффициент частотных искажений п-каскадного усилителя можно записать как

или

Таким образом, коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов. Если коэффициенты частотных искажений выразить в децибелах, то для n-каскадного усилителя получим

Из вышеприведенных выражений следует, что к отдельным каскадам усилителя по частотным искажениям предъявляются более жесткие требования, чем к усилителю в целом, так как коэффициент частотных искажений отдельного каскада всегда меньше коэффициента частотных искажений усилителя.

Требуемое значение общего коэффициента частотных искажений М определяется назначением усилителя. Например, при усилении акустических сигналов значение коэффициента М не превышает √2, что соответствует 3 дБ. Для измерительных усилителей коэффициент частотных искажений определяется заданной точностью измерений.

Определим фазовый сдвиг φ между выходным и входным напряжениями n-каскадного усилителя, записав комплексный КУ по напряжению в виде

где φ₁, φ₂,.. φ_n – фазовые сдвиги между выходным и входным напряжениями отдельных каскадов усилителя. Следовательно,

т.е. фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями многокаскадного усилителя равен алгебраической сумме фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами.

Нелинейные искажения синусоидального сигнала в многокаскадных усилителях, характеризуемые коэффициентом гармоник (КГ), можно оценить, просуммировав КГ каждого отдельного каскада усилителя, т.е.

Как известно, нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения U_вхmax, начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность. Следовательно, нелинейные искажения будут наибольшими в последнем, выходном, каскаде усилителя. Ориентировочно можно считать, что КГ n-каскадного усилителя равен КГ последнего каскада, т.е.

Для исключения влияния цепей постоянного тока отдельных каскадов друг на друга, т.е. обеспечения развязки каскадов по постоянному току, в усилителях переменного сигнала используют разделительный конденсатор или трансформатор. В аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) усилителей как постоянного, так и переменного тока используется, как правило, непосредственная связь между каскадами, так как реализация конденсаторов большой емкости и трансформаторов в микроэлектронном исполнении весьма затруднительна.

2. Особенности построения и расчета многокаскадных усилителей

В многокаскадных усилителях связь между каскадами осуществляется с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. Резистивно-емкостная связь позволяет наиболее просто осуществить независимость режимов каскадов по постоянному току, однако из-за больших емкостей разделительных конденсаторов вызывает существенные затруднения реализация многокаскадных усилителей в виде интегральных микросхем (ИМС).

Развитие современной микроэлектроники выдвинуло необходимость использования непосредственной связи между каскадами усилителя, когда коллектор транзистора предыдущего каскада с ОЭ гальванически связан с базой последующего. Однако в этом случае при заземленном эмиттере транзисторы, как правило, оказываются насыщенными, так как коллекторные резисторы определяют режим по постоянному току, как основного, так и последующего каскадов. Для обеспечения работы транзистора в режиме класса А в эмиттерные цепи включают резисторы R_э.

На рис. 2.1, а приведена схема n-каскадного усилителя с непосредственной связью между каскадами. Предположим, что транзисторы всех n каскадов усилителя на рис. 2.1 работают в одинаковом режиме, т.е. их коллекторные токи покоя I_к01, I_к02, … I_к0n, определяющие режим класса А, равны между собой. При уменьшении R_к будет падать КУ по напряжению каскада, а при увеличении R_э возрастает глубина отрицательной обратной связи (ООС), что также приводит к уменьшению КУ. Следовательно, получить большой КУ в схеме усилителя (рис. 2.1, а) путем введения дополнительных каскадов затруднительно, так как КУ каждого последующего каскада уменьшается по сравнению с КУ предыдущего.

а б

Рис. 2.1

Не удается существенно увеличить КУ, изменяя режим работы транзисторов каждого последующего каскада усилителя. Действительно, если увеличить ток в каждом последующем каскаде, то, во-первых, число каскадов ограничивается допустимым током, протекающим через транзистор последнего каскада, во-вторых, при равенстве R_э резисторы R_к различаются между собой сильнее, чем при одинаковых токах транзисторов. При уменьшении тока в каждом последующем каскаде при равенстве резисторов R_к число каскадов ограничивается минимальным током транзистора последнего каскада.

Для уменьшения глубины ООС и увеличения, таким образом, КУ в эмиттерные цепи каскадов следует включить элемент, сопротивление которого по постоянному току велико, а по переменному - мало. Таким элементом является стабилитрон, при включении которого необходимо, чтобы эмиттерный ток транзистора изменялся в пределах рабочего диапазона токов стабилитрона.

Схема двухкаскадного усилителя с использованием стабилитрона показана на рис. 2.1, б. Хотя КУ отдельных каскадов по-прежнему неодинаковы (R_к1 ≠ R_к2), их различие меньше, чем в усилителе, изображенном на рис. 2.1, б.

Для получения большого КУ в многокаскадном усилителе с непосредственной связью используют чередующиеся от каскада к каскаду транзисторы разного типа электропроводности (рис. 2.2). Такой усилитель называется комплементарным усилителем.

Рис. 2.2

Схемы с непосредственной связью на полевых транзисторах строят по такому же принципу, что и схемы на биполярных транзисторах. Согласование каскадов получают, исходя из требуемой амплитуды рабочего напряжения, вида характеристик полевого транзистора и напряжения питания.

В многокаскадных усилителях широко используются обратные связи, с помощью которых достигаются требуемые технические параметры. Для получения ООС в усилителе необходимо, чтобы суммарный фазовый сдвиг φ, вносимый усилителем и цепью ОС, был равен 180° во всем диапазоне рабочих частот. В многокаскадном усилителе это требование обычно выполняется, строго говоря, только на одной частоте. На остальных частотах, особенно на границах и за пределами полосы рабочих частот АЧХ, φ ≠ 180°. Это происходит за счет дополнительных фазовых сдвигов, вносимых реактивными элементами схемы усилителя, причем эти сдвиги будут тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей цепью ООС. При дополнительном фазовом сдвиге 180°, φ = 360° (баланс фаз), ООС превратится в ПОС, и, если BК >> 1 (баланс амплитуд), усилитель превратится в генератор.

Теоретически одно- и двухкаскадный усилитель с частотно-независимой ООС устойчив при любой глубине ОС, трехкаскадный - при F ≤ 9, однако практически, с учетом запаса по устойчивости и возможностью дополнительных фазовых сдвигов, рекомендуют брать F ≤ 5 для однокаскадного, F ≤ 4 для двух- и F ≤ 3 для трехкаскадного усилителя, охваченного общей ООС. Не рекомендуется охватывать общей ООС более трех каскадов, если же это необходимо, то возможно использование специальных корректирующих цепей.

Так как для различных каскадов многокаскадного усилителя обычно применяют один и тот же источник питания (рис. 2.3), то из-за наличия его внутреннего сопротивления Z_п в усилителе возникают паразитные (нежелательные) ОС. Переменная составляющая тока каскадов (преимущественно оконечного) создает на Z_п переменную составляющую ΔU, которая поступает в цепи питания предыдущих каскадов и тем самым замыкает сразу несколько петель паразитных ОС, что может привести к самовозбуждению.

Рис. 2.3

Самым эффективным и достаточно простым способом, исключающим сложных стабилизированных источников питания, является применение развязывающих (устраняющих ОС) фильтров, состоящих из R_ф и С_ф и включаемых последовательно или параллельно источнику питания (см. рис. 2.3). Номинал резистора R_ф определяется требуемым напряжением питания предварительных каскадов, которое, как правило, меньше, чем у оконечного. Кроме ослабления паразитных ОС, развязывающие фильтры одновременно сглаживают пульсации напряжения питания с частотой 50 и 100 Гц, если усилитель питается от сетевого выпрямителя.

Расчет многокаскадного усилителя производят, начиная с оконечного каскада к первому. Оконечный каскад рассчитывается по обеспечению требуемой мощности или тока (напряжения). Количество каскадов определяется общим КУ.

Порядок расчета многокаскадного усилителя рассмотрим на примере трехкаскадного усилителя низкой частоты (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Поскольку выходной каскад (каскад 3 на рис. 2.4) в многокаскадном усилителе представляет усилитель мощности, то он является основным потребителем энергии источников питания. Он должен работать в режиме класса АВ, обеспечивая высокий КПД. Комплементарные транзисторы Т₅ и Т₆ выбираются, исходя из допустимой мощности рассеяния на коллекторе P_кmax, и максимальной амплитуды коллекторного тока I_кmax.

Далее выбираются кремниевые диоды VD₁ и VD₂ из условия I_д≥(23)I_б0, и источник питания E_п, а при необходимости - два разнополярных источника +E_п1 и -E_п2. Задаваясь нижней частотой АЧХ f_н, находится соответствующая емкость разделительного конденсатора С₄.

Для промежуточного каскада усиления (каскад 2 на рис. 2.4) исходными для расчета данными будут входные параметры выходного каскада. Данный каскад представляет собой дифференциальный УК и для обеспечения требуемого усиления сигнала он должен работать в режиме класса B. Исходя из этого выбираются идентичные транзисторы Т₃ и Т₄ и емкость разделительного конденсатора С₃.

Входной усилительный каскад (каскад 1 на рис. 2.4) также представляет собой дифференциальный каскад. Выбор его обусловлен тем, что его входное сопротивление много больше, чем сопротивление источника сигнала, что позволяет без потерь передать сигнал от источника на вход следующего каскада, а также тем, что такой УК обеспечивает высокое усиление дифференциального входного сигнала, приложенного между входами каскада, и практически не усиливает (при большом значении R₅) синфазный сигнал, одинаковый на обоих входах. Расчет входного УК производится исходя из характеристик источника входного сигнала Е_г, и характеристик следующего каскада.

Литература:

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М: Высшая школа, 1991.

2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М: Додека-XXI, 2005.

3. Красько А.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебное пособие. – Томск: ТГУСУР, 2005.

4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М: Горячая Линия Телеком, 2007.

5. Павлов В.Н., Ногин И.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М: Горячая Линия Телеком, 2001.

Разработал: доцент кафедры РЛ1 Чепурнов И.А.