Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЛекцииСАиЦУ_ФКП

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
24.02.2016
Размер:
2.89 Mб
Скачать

лов при их прохождении по петле ОС. Учет этих эффектов показывает, что фактические относительные изменения АЧХ при введении ОС оказываются меньше, чем те, которые определяют соотношения (4.5) и (4.6) и приведенный на рис. 4.7. график.

а)

 

 

 

б)

 

 

Рис. 4.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ряде случаев введение ООС может сопровождаться не уменьшением, а увеличением ординат АЧХ и даже значениями Мf ( f ),большими единицы. Обычно указанные процессы наблюдаются на тех частотах, где дополнительный набег фаз при прохождении сигналов по петле ОС приближается к π/2 и его превосходит. На этих частотах геометрическая разность основного сигнала и сигнала обратной связи на входных зажимах 3-3 усилительного звена К3.4 схемы рис. 4.1. превосходит их алгебраическую разность, в результате чего введение обратной связи сопровождается увеличением коэффициента усиления, то есть ОС имеет положительный характер.

Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с ООС заключается в том, что при изменении коэффициента уси-

ления Кf изменяется напряжение обратной связи UОС, приводящее к измене-

нию входного напряжения усилителя.

Стабильность коэффициента К f при введении ООС широко используется для улучшения АЧХ усилителей переменного сигнала, при этом полоса пропускания усилителя f расширяется (рис. 4.7.).

73

Глава 5. Многокаскадные усилители

5.1. Особенности построения многокаскадных усилительных трактов

С помощью одиночного каскада трудно обеспечить желаемое усиление сигналов, необходимые свойства усилительной схемы по её входному или выходному сопротивлению, требуемые по условиям работы предельные значения выходных токов и напряжений.

Всвязи 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 каскад или выходные каскады.

На входной каскад помимо основной функции (функции усиления) возложена задача согласования выходного сопротивления источника сигнала

свходным сопротивлением усилительного тракта. Под согласованием здесь понимается повышение 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 или 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 по возможности располагают до его входных зажимов.

Вряде случаев к усилительному тракту предъявляется требование предельной чувствительности. При этом схемное и конструктивное выпол-

74

нение входного каскада должно быть реализовано с учетом его малошумного построения, предполагающего использование основных схем включения усилительного прибора (включение с ОЭ или ОИ), отказ от применения во входных каскадах полевых транзисторов с изолированным затвором.

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

Выходные каскады предназначены для обеспечения в нагрузке требуемых обычно больших сигнальных токов и напряжений, то есть больших сигнальных мощностей. Поэтому их часто называют усилителями мощности.

5.2.Способы межкаскадных связей

5.2.1.Усилители с непосредственными межкаскадными связями

Вмногокаскадной усилительной схеме сигналы с выхода предшествующего каскада передаются на вход последующего. Простейшей межкаскадной связью, с помощью которой осуществляется эта передача, является непосредственная связь. В ней вход последующего каскада эквипотенциален (равен) с выходом предшествующего как на постоянном, так и на переменном токе.

К схемам с непосредственными межкаскадными связями относятся двухтранзисторный усилительный тракт ОЭ-ОБ (рис. 5.1,а).

На рис. 5.1,б приведен вариант схемного построения ОЭ-ОБ, работа которого требует наличия двух источников питания. В нём базовый вывод каскада ОБ непосредственно соединен с точкой нулевого потенциала, что упрощает по сравнению со схемой рис. 5.1,а структуру каскада, улучшает его частотные свойства в области НЧ.

75

а)

б)

Рис. 5.1.

Питание каскадов рис. 5.1,а,б организовано по так называемой схеме последовательного питания каскадов. При этой схеме выходные цепи каскадов образуют последовательное соединение, в результате чего в выходных цепях всех каскадов протекают практически одинаковые постоянные токи.

При питании каскадов по параллельной схеме выходные цепи каскадов по отношению к источникам питания образуют параллельное соединение, а выходные токи каскадов обычно имеют различающиеся значения. На рис. 5.2. приведены примеры такого построения схемы питания каскадов на постоянном токе для двухтранзисторных усилителей типа ОЭ-ОЭ.

а)

б)

Рис. 5.2.

Схемы усилителей организованы как тракты с непосредственными межкаскадными связями. При этом в схеме рис. 5.2,б осуществлено чередование транзисторов по типу проводимости. Такое чередование позволяет

76

обеспечить в многокаскадных схемах с непосредственными межкаскадными связями работу транзисторов в линейной области ВАХ при относительно невысоких значениях напряжений источников питания.

К достоинствам непосредственных межкаскадных связей следует отнести простоту ее реализации, отсутствие при ее использовании низкочастотных искажений, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе усилительного тракта в целом за счет охвата этого тракта общей петлёй ООС.

Непосредственная связь широко используется в усилителях постоянного тока и в аналоговых микросхемах.

5.2.2. Усилители с гальваническими межкаскадными связями

В аналоговых микросхемах и усилителях постоянного тока часто используется гальваническая межкаскадная связь, которая в отличие от непосредственной предполагает включение в цепь межкаскадной связи специальной 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 выходного потенциала предшествующего на определённую величину, называемую напряжением сдвига, UСД..

Работу схемы сдвига уровня стараются организовать таким образом, чтобы она не влияла на прохождение сигнальных составляющих.

Пример простейшего схемного построения, обладающего указанными свойствами, приведен на рис. 5.3.

В схеме рис. 5.3 в роли потенциальносдвигающего элемента использован стабилитрон VD1. Дифференциальное сопротивление стабилитрона

77

Рис. 5.3.

пренебрежимо мало, в результате чего он практически не влияет на прохождение сигнальных составляющих.

5.2.3. Каскады и цепи с емкостной связью

Широкое применение находит емкостная связь, при которой в качестве элемента связи выступает конденсатор, называемый разделительным. Конденсатор разделяет каскады по постоянному напряжению, объединяя их по переменной (сигнальной) составляющей. Этот вид межкаскадной связи применяется в усилителях переменного сигнала. Существенным недостатком емкостной межкаскадной связи является то, что в усилителях сигналов относительно невысоких частот, в том числе и в усилителях звуковых частот, во избежание существенных низкочастотных искажений требуется использовать конденсаторы большой емкости, что делает невозможным исполнение усилительного тракта в виде микросхемы.

Кроме того, при построении усилительного тракта с использованием емкостной связи невозможно повысить стабильность и определенность режимов работы его каскадов за счет охвата тракта в целом соответствующей петлей ОС, так как в этом случае петля оказывается разомкнутой на постоянном токе внутри самого усилительного тракта.

В то же время емкостные межкаскадные связи организуются специально с целью обеспечения дополнительной фильтрации сигналов в низкочастотной спектральной области.

78

5.2.4. Трансформаторная межкаскадная связь

Соединение двух участков сигнальной цепи с помощью трансформатора называется трансформаторной связью. К достоинству связи этого вида следует отнести то, что при ее применении выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимизацию значения нагрузки усилительного прибора и тем самым реализовать возможность получения предельных значений сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку. В связи с этим трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора используется в оконечных каскадах усилителей мощности, где требуется получение больших сигнальных мощностей и высоких значений КПД.

Рис. 5.4.

К недостаткам трансформаторной связи следует отнести ее неширокую полосу пропускания (малое значение отношения верхней граничной частоты пропускания к нижней), большие габаритные размеры трансформаторов, их массу и стоимость. Пример использования в качестве элемента межкаскадной связи приведен на рис. 5.4., при этом постоянное напряжение на базу во втором каскаде вводится через вторичную обмотку трансформатора.

79

5.3. Типовые многотранзисторные схемные конфигурации усилительных каскадов

5.3.1. Каскодное соединение ОЭ-ОБ

Схемная организация аналоговых трактов и микросхем часто базируется на применении схемных построений, имеющих в своей основе типовую структуру, включающую несколько транзисторов. К конфигурации этого вида относится каскодное соединение рис. 5.5. Подобная схема называется "каскод" — от слов "каскад" и "триод". Когда-то два ламповых триода соединялись непосредственно по схеме общий катод — общая сетка, причём сетка второго каскада заземлялась. В каскодных схемах на транзисторах также осуществляется такое их включение общий эмиттер – общая база и общий исток – общий затвор, при котором выход и вход каскадов соединены непосредственно. Каскодные схемы не симметричны: первый каскад имеет входную проводимость, значительно меньшую, чем второй. Внутренняя связь между выходной и входной цепями каскада сведена до минимума и практически устранена опасность самовозбуждения.

При организации работы этого соединения на постоянном токе применена схема последовательного питания каскадов. Выходные цепи каскадов при схеме последовательного питания образуют совместно с источником питающего напряжения единую последовательную цепь, в результате чего через оба транзистора протекают практически одинаковые коллекторноэмиттерные токи, то есть IК 01= IЭ 02=IК 02. Значения этих токов задаёт каскад ОЭ, собранный на транзисторе VT1.

На рис. 5.5. приведен другой вариант схемной организации на постоянном токе каскодного соединения ОЭ-ОБ. В отличие от схем рис. 5.1. она допускает использование источников с пониженным номиналом питающего напряжения, так как в ней питание каскадов ОЭ и ОБ осуществляется по параллельной схеме. На рисунке приведен вариант с питанием от двух источ-

80

Рис. 5.5.

ников с заземлением базового вывода транзистора в схеме ОБ как на постоянном, так и на переменном токе. Общий ток, протекающий через резистор R02, равен сумме коллекторного тока IК01 транзистора VT1 и эмиттерного IЭ02 транзистора VT2. Ток через транзистор VT1 задает разность потенциалов на

резисторе R1, при этом IК01 =

U R1 0.7

. Эмиттерный ток IЭ 02 зависит как от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R01

 

 

 

 

 

 

падения напряжения, которое создаёт на резисторе R02 ток IК 01, так и от на-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (

 

n 0.7 IК01R02 )

 

пряжения источника питания

 

 

 

 

 

 

 

E

 

Е

П

. При этом I

Э02

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из приведенных соотношений следует, что токи IК01 и IЭ02 равны меж-

ду собой, когда выполняется следующее равенство:

 

 

 

UR1 0.7

=

R01

, при этом IК01 = IЭ02 = U R1 0.7 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

2R02

 

 

 

 

R01

 

 

 

En 0.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эквивалентные схемы обоих каскодных соединений ОЭ-ОБ для вариантов построения рис. 5.1. и рис. 5.5. практически одинаковы и соответствуют схемам рис. 5.6.

Некоторое различие в эквивалентных схемах обусловлено различием транзисторов по типу проводимости (на рис. 5.1. используются пары транзисторов с одинаковым типом проводимости, тогда как схемное построение рис. 5.5. организовано на основе комплементарной пары транзисторов),

81

а также тем, что в состав нагрузки каскада ОЭ в схеме рис. 5.5 входит помимо входного сопротивления схемы ОБ сопротивление R02.

Эти различия отражены на рис. 5.6., при этом схемам рис. 5.1. соответствует рис. 5.6,а, а схеме рис. 5.5. — рис. 5.6,б.

С точки зрения результата анализа свойств каскодного соединения на переменном токе эти различия не являются принципиальными, так как, вопервых, свойства каскадов при малосигнальном режиме их работы не зависят от типа проводимости используемых в схемах транзисторов, а во-вторых, проводимость результата R02 в схемах рис. 5.5. и рис. 5.6. по сравнению со входной проводимостью каскада ОБ имеет пренебрежимо малое значение.

Коэффициент усиления каскодного соединения К = КОЭ · КОБ, при этом в качестве нагрузки каскада ОЭ выступает входная проводимость схемы ОБ (для схемы рис. 5.5. — параллельное соединение этой проводимости и резистора R02).

Входная проводимость схемы ОБ велика, в результате чего каскад ОЭ в каскодном соединении не обладает усилением по напряжению (КОЭ = 1). Общее усиление, обеспечиваемое каскодной схемой:

К = КОЭ КОБ = КОБ ≈ КОЭ = g21 RК

Последние соотношения соответствуют отражённым на рис. 5.6. условно положительным направлениям сигнальных напряжений. Эти направления учитывают инвертирующий характер передачи сигналов в каскаде ОЭ и не инвертирующий в каскаде ОБ. В результате этого значение коэффициента передачи каскодного соединения определяется положительным числом, несмотря на инвертирующий характер общей передачи.

82