- •18.7. Питание усилителей. Подача смещения на вход активного элемента
- •18.8. Схемы стабилизации положения рабочей точки
- •18.9. Свойства активных элементов при различных способах включения
- •18.10. Многокаскадные усилители
- •18.11. Импульсные усилители
- •18.12. Усилители постоянного тока
- •18.13. Дифференциальные усилители
- •18.14. Операционные усилители
- •Контрольные вопросы
18.10. Многокаскадные усилители
Как правило, усилители состоят из нескольких каскадов, при этом каждый отдельный каскад в составе усилителя выполняет свои функции. На рис. 18.20, a приведена структурная схема многокаскадного усилителя, а на рис. 18.20, б — реальная схема двухкаскадного усилителя с RC-связью (указаны только основные элементы). Входное устройство служит для передачи сигнала от источника во входную цепь каскада предварительного усиления. В качестве входного устройства могут быть использованы конденсаторы, резисторы, трансформаторы. Так, например, входными устройствами на рис. 18.20,б являются конденсаторы C1 и С2. Конденсатор C1 включают, чтобы исключить прохождение постоянной составляющей тока и напряжения смещения первого активного элемента в источник сигнала, а также чтобы постоянная составляющая тока от источника сигнала не поступала на вход активного элемента. Конденсатор С2 — входное устройство для второго каскада, он осуществляет связь каскадов.
Каскады предварительного усиления служат для усиления тока, напряжения или мощности сигнала до значения, необходимого для подачи на вход мощного усилителя. Для уменьшения нелинейных искажений в них почти всегда используется режим А. Транзисторы обычно включают по схеме с ОЭ.
Мощный усилитель предназначен для отдачи в нагрузку сигнала требуемой мощности и может состоять из нескольких каскадов. Иногда мощный усилитель называют оконечным. Усилительный элемент в них может работать как в режиме А, так и В. Транзисторы чаще всего включают по схемам с ОЭ и с ОБ.
Выходное устройство необходимо для передачи сигнала из выходной цепи последнего усилителя в нагрузку. В качестве выходного устройства используют трансформаторы, конденсаторы и резисторы. Трансформаторы служат, например, для согласования выходного сопротивления последнего усилителя с сопротивлением нагрузки. На рис. 18.20,б выходным устройством является конденсатор С2. Конденсаторы и резисторы используют для разделения постоянных составляющих тока и напряжения выходной цепи усилителя и нагрузки.
Межкаскадные связи служат для передачи сигнала от источника сигнала на вход первого усилителя, от выхода одного каскада на вход другого и от выходной цепи последнего усилителя на нагрузку, осуществляя функции разделительных элементов. При этом через них напряжения питания подаются на зажимы усилительных устройств.
Основные виды межкаскадных связей — гальваническая, резисторная, емкостная, трансформаторная и дроссельная. Иногда используют комбинации этих связей. Прохождение постоянной составляющей сигнала обеспечивает только гальваническая связь, поэтому этот вид связи может быть применен и в усилителях постоянного тока. Остальные виды связей — в любых усилителях. Гальваническая связь может быть непосредственной и потенциометрической.
Усилительные каскады называют по типу использованной в нем связи: каскад с RС-связью (рис. 18.20,б), трансформаторный каскад и т. д.
18.11. Импульсные усилители
В общем случае импульсные сигналы любой формы можно представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда гармонических колебаний разных частот. Спектр частот импульсного сигнала может быть очень широким — от десятков герц до десятков мегагерц. На рис. 18.4, а,б был показан импульс наиболее распространенной прямоугольной формы, без искажений и с искажениями. Искажения обычно вызываются тем, что усилители обладают ограниченной полосой пропускания. Удлинение фронта импульса и выброс являются следствием завала частотной характеристики в области верхних частот, а скос (спад) вершины импульса — завала частотной характеристики в области низких частот.
Так как прохождению высокочастотных составляющих сигнала препятствуют паразитные емкости, внутренние сопротивления и др., а прохождению низкочастотных составляющих сигнала — емкости и индуктивности элементов усилителя, то импульс на выходе усилителя будет воспроизводиться без искажений только при достаточно широкой полосе пропускания усилителя. Таким образом, основное требование, предъявляемое к импульсным усилителям,— это широкая полоса пропускания частот. Поэтому импульсные усилители часто называют ширкополосными. Для удовлетворения требованию широкополосности в импульсных усилителях используют резисторные каскады, которые обладают наилучшими амплитудно-частотными, фазовыми и переходными характеристиками.
В качестве активных элементов импульсных усилителей используют высокочастотные транзисторы, биполярные чаще всего включают по схеме с ОЭ, а полевые — с ОИ. Для расширения полосы усиливаемых частот в каскады вводят специальные корректирующие цепи, позволяющие управлять частотной, фазовой и переходной характеристиками каскада. Схемы коррекции бывают с ОС и без нее. Рассмотрим в качестве примера схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции без ОС.
Низкочастотная коррекция (коррекция плоской вершины импульса). Искажение плоской вершины импульса обычно происходит из-за наличия конденсаторов С2 и Сэ (рис. 18.21, a). Зарядка их длится сравнительно долго (в течение примерно длительности входного импульса). Приближенно можно считать, что она начинается с того момента, когда формирование фронта выходного импульса уже закончилось и напряжение на коллекторе равно установившемуся значению напряжения выходного импульса(см. рис. 18.4,б). При зарядке конденсатора С2 на низких частотах произойдет увеличение его сопротивления [Хс = = 1/(2πfС2)] и увеличение падения напряжения на нем, а это снизит напряжение
Целью коррекции является увеличение усиления сигнала по мере уменьшения его частоты. Один из возможных вариантов коррекции — включение в цепь коллектора каскада цепочки (рис. 18.21, а).
На рис. 18.21,б показана эквивалентная схема выходной цепи усилителя. Выходное сопротивление активного элемента переменному току отражено в ней сопротивлениемRГ. Как известно, усиление будет тем больше, чем выше сопротивление нагрузки. Сопротивление конденсатора изменяется с изменением частоты. Чтобы это сопротивление на средних (и тем более на верхних частотах полосы пропускания) было очень незначительным, емкость конденсаторавыбирается сравнительно большой. В этом случае на верхних частотах конденсаторшунтирует резисторRф и корректирующая цепь не оказывает влияния на работу усилителя. С уменьшением частоты сопротивление конденсатораувеличивается, он уже не шунтируети общее сопротивлениевключенных параллельно Rф и RC увеличивается.
Общее сопротивление коллекторной нагрузки в результате возрастает, а вместе с этим увеличивается и напряжение, вследствие чего коэффициент усиления каскада на низких частотах возрастет. Таким образом,вследствие увеличения падения напряжения на разделительном конденсаторе С2 в идеальном случае не уменьшается (из-за увеличения сопротивления конденсатора С2 на низких частотах), так как оно компенсируется увеличением напряжения U (рис. 18.21,б). С помощью рассмотренной низкочастотной коррекции при правильном выборе значенийможно значительно увеличить полосу пропускания за счет увеличения диапазона нижних рабочих частот и существенно снизить (или совсем устранить) скос плоской вершины импульса на выходе.
Цепи, изменяющие частотную характеристику в области нижних частот и переходную характеристику в области больших времен, называют цепями низкочастотной коррекции. Цепочкаодновременно является развязывающим фильтром, предотвращающим появление паразитной ОС через общий источник питания, так как переменная составляющая напряжения питания замыкается черезна землю и не попадает в коллекторную цепь транзистора.
Высокочастотная коррекция (коррекция фронта импульса). Наибольшее распространение получила схема высокочастотной параллельной коррекции индуктивностью. Корректирующая катушка индуктивностивключается последовательно с резистором коллекторной нагрузки(рис. 18.22, а). Они образуют параллельный резонансный контур с емкостью С0, нагружающей каскад.
На рис. 18.22,б показана эквивалентная схема выходной цепи каскада для верхних частот полосы пропускания. Емкостьгде СН — емкость нагрузки, См — емкость монтажа, Свых — выходная емкость транзистора. Значение индуктивности Lk выбирают очень малым так, что индуктивное сопротивление на нижних и средних частотах незначительно и влияния на работу цепи не оказываетНа высоких частотах при соответственно выбранном значении Lk контур находится вблизи резонанса и сопротивление его возрастет. Так как контур является нагрузкой выходной цепи, произойдет увеличение коэффициента усиления, расширится полоса пропускания и улучшится частотная характеристика. Цепи, изменяющие частотную характеристику на верхних частотах и переходную характеристику в области малых времен, называют цепями высокочастотной коррекции.
Параллельная коррекция индуктивности отличается конструктивной простотой, невысокой стоимостью, надежностью в работе. Но этот вид коррекции пригоден лишь для усилителей в дискретном исполнении.