1.3.Многокаскадные усилители

1.3.1.Общие вопросы проектирования многокаскадных усилителей

Одиночные усилительные каскады, выполненные на биполярных и полевых транзисторах, имеют ограниченный коэффициент усиления, зависящий от параметров транзистора и других компонентов схемы. Эти каскады сами по себе, как правило, не в состоянии обеспечить требуемый коэффициент усиления. Поэтому применяют многокаскадные усилители, представляющие собой последовательное соединение одиночных усилительных каскадов.

Можно выделить следующие виды связи между отдельными усилительными устройствами: гальваническую (непосредственную), емкостную (с помощью RС-цепей), трансформаторную или автотрансформаторную, с помощью частотно-зависимых цепей и оптронную. Для сравнительно низкочастотных усилителей чаще всего используются два первых вида связи. Трансформаторная и автотрансформаторная связи в низкочастотных усилителях применяется значительно реже из-за больших габаритов трансформаторов, невозможности их миниатюризации, высокой стоимости. Кроме того, трансформаторы в таких усилителях являются источниками значительных нелинейных и частотных искажений. Однако трансформаторная связь позволяет получать максимальное усиление по мощности, что в ряде случаев бывает важно. Наиболее широко трансформаторные и автотрансформаторные связи применяются в резонансных избирательных усилителях, в которых в качестве нагрузки используются LC контура.

Частотно-зависимые цепи используют при создании многокаскадных усилителей с непосредственной связью, а также при создании избирательных усилителей. Оптронная связь между каскадами применяется в специальных случаях, когда при низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.

При проектировании многокаскадных усилителей обычно необходимо знать выходное напряжение U_вых, сопротивление нагрузки R_н и коэффициент усиления. Необходимо также знать допустимые коэффициенты линейных и нелинейных искажений, рабочий диапазон частот, внутреннее сопротивление источника сигнала, динамический диапазон изменения входного сигнала.

Проектирование многокаскадного усилителя рекомендуется начинать с выбора его структурной схемы и активных элементов, входящих в нее, исходя из требований, предъявляемых к усилителю. В качестве отдельных каскадов многокаскадного усилителя используют и интегральные усилители. Их также вводят в состав структурной схемы усилителя, а специфические требования удовлетворяют за счет применения обратной связи соответствующего вида. При этом иногда в общую схему усилителя приходится включать дополнительно мощный выходной каскад, а также входной каскад с высоким или очень малым входным сопротивлением. И только в случае, если из-за требований, предъявляемых к характеристикам преобразования, усилитель нельзя выполнить из набора готовых интегральных микросхем, его проектируют на дискретных элементах.

Порядок разработки принципиальной схемы усилителя во многом зависит от предъявляемых к нему требований. Если заданы выходная мощность и выходное сопротивление усилителя, то проектирование следует начинать с выходного каскада, а затем переходить к проектированию остальной части. Если же определенные требования предъявляются как к входной, так и к выходной частям усилителя, то сначала решаются вопросы реализации входного и выходного каскадов, а потом проектируют часть усилителя, связывающую их.

Учитывая допустимую нестабильность коэффициента усиления и получения требуемых параметров, решается вопрос о виде обратной связи и ее глубине. Так как с введением обратной связи коэффициент усиления уменьшается, то это должно быть учтено при выборе количества применяемых интегральных микросхем (ИМС). Петлевое усиление можно определить из общего выражения

,

если известно изменение коэффициента усиления К.

При достаточно стабильных параметрах применяемых в цепи обратной связи элементов можно считать, что  0. Тогда

Так, если коэффициент усиления усилителя без обратной связи может изменяться на 50% (dК/К=0,5) и при этом требуется, чтобы при введении обратной связи К_ос не изменялся более чем на 0,5% (dК_ос/К_ос = 0,005) , то при d_oc  0 необходимо петлевое усиление _ocК = 99

При заданном значении К_ос и некоторой глубине обратной связи определяют коэффициент усиления усилителя с разомкнутой обратной связью

К=К_ос(1+_ocК).

Решив вопрос о структуре усилителя, количестве ИМС, используемых в нем, виде и глубине обратной связи, составляют ориентировочно принципиальную схему. При непосредственной связи между ИМС необходимо согласовывать уровни выходного сигнала предыдущей ИМС с допустимым входным сигналом последующей. Кроме того, необходимо обеспечивать защиту входных цепей ИМС от возможных аварийных изменений входного сигнала.

Нелинейные искажения, заданные на проектируемую часть усилителя, обычно не распределяют между ИМС, а все значения коэффициента гармоник отводят на выходной каскад, работающий в режиме большого сигнала (или предоконечный, если в выходном каскаде используются повторители напряжения). Это обусловлено тем, что наибольшие нелинейные искажения возникают при больших уровнях усиливаемого сигнала, при которых начинает сказываться нелинейность характеристик транзисторов.