2.5.5 Многокаскадные усилители

Как правило, коэффициент усиления одиночного транзисторного каскада не пре­вышает нескольких десятков. Поэтому в случае необходимости получения боль­ших значений коэффициента используют многокаскадные усилители (МКУ), построенные путем последовательного соединения нескольких одиночных кас­кадов. При таком соединении встает проблема согласования входных и выходных сигналов различных каскадов как по переменному, так и по постоянному току.

Ранее отмечалось, что усилительные устройства могут классифицироваться, в частности, по виду межкаскадных связей. При этом были выделены две группы усилителей: усилители переменного тока и усилители постоянного тока.

К первой группе относятся усилители с трансформаторными и RС - связями.

Вторую группу в основном представляют усилители с гальваническими свя­зями. Между отдельными каскадами усилителя осуществляется так называемая гальваническая связь: связь посредством элементов, обеспечивающих двусто­роннюю передачу сколь угодно медленных изменений сигнала (напряжения или тока). В частном случае при отсутствии каких-либо дополнительных элементов гальваническая связь превращается в непосредственную.

Особенностью усилителей первой группы является отсутствие связи по по­стоянному току между отдельными каскадами. Ввиду этого в каждом отдельном каскаде можно установить оптимальный режим работы по постоянному току, например, с точки зрения коэффициента усиления или вносимых искажений.

Однако если в этих усилителях входной сигнал кроме переменной содержит и постоянную составляющую, то после усиления информация о постоянной со­ставляющей будет потеряна.

В усилителях с гальваническими связями необходимо заботиться о согласо­вании сигналов как по постоянному, так и по переменному току. Это накладыва­ет определенные ограничения на выбор режимов работы транзисторов и в боль­шинстве случаев существенно затрудняет проектирование усилителя.

Теоретически в составе МКУ может быть любое число каскадов, но на прак­тике используются только от двух до четырех. Они могут выполняться по оди­наковой схеме (обычно с общим эмиттером), однако чаще в силу некоторых об­стоятельств выполняются по разным схемам (например, общий коллекторобщий эмиттер). Нелинейные искажения обычно определяются последним каскадом, так как на его вход подается наибольшая амплитуда сигнала. Шумовые свойства, как пра­вило, определяются первым каскадом, поскольку здесь амплитуда входного сиг­нала незначительна и может быть сравнима с напряжением шумов.

В МКУ существенной оказывается паразитная связь через источник питания, внутреннее сопротивление которого является общим нагрузочным сопротивле­нием для всех каскадов.

При трех и более каскадах эта связь может привести к самовозбуждению уси­лителя. Для устранения этой опасности применяют следующие меры:

• увеличение емкости выходного конденсатора сглаживающего фильтра питания;

• введение в выпрямитель электронного стабилизатора напряжения с низким выходным сопротивлением;

• устройство двух- или трехсекционного сглаживающего фильтра с питанием выходного и предварительных каскадов усилителя от различных секций;

• применение дополнительных развязывающих цепочек RфСф в каждом каска­де, кроме последних одного-двух.

Эти же мероприятия способствуют уменьшению фона переменного тока при питании усилителей от сети.

Второй причиной появления паразитных обратных связей могут быть элек­тростатические наводки с выходных цепей на входные, приводящие также к ис­кажениям частотных характеристик преимущественно на высоких частотах. Их предотвращают конструктивные меры, в частности правильный выбор точек за­земления цепей различных каскадов.

Большое значение при построении МКУ имеют способы соединения каска­дов между.

УСИЛИТЕЛИ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМИ СВЯЗЯМИ

Рисунок 6.26 – Прниципиальная схема двухкаскадного усилителя с непосредственной связью

В обычных схемах с транзисторами одинаковой структуры непосредственную связь чаще всего осуществляют только между двумя соседними каскадами. Про­стейшая схема такого усилителя показана на рисунке 6.26.

Связь с соседними каскадами осуществляется с помощью разделительного конденсатора или трансформатора.

Назначение элементов такое же, как и в ранее рассмотренной схеме с общим эмиттером. Однако здесь для второго каскада роль базового делителя выполня­ют резистор R_K1 и цепочка R_Э1 – R_VТ1.

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Статический режим первого каскада не отличается от ранее изученной схемы с ОЭ. Для второго каскада он будет несколько другим (цепи протекания токов по постоянной составляющей):

• ток базы I_Б2:

+Ек корпус  R_Э2 эмиттер-база VТ₂  R_к1  Rф  -Ек;

• ток коллектора I_К2:

+Ек  корпус  R_Э2  эмиттер-база-коллектор VТ₂  R_К2  -Ек;

• ток делителя I_д2:

+Ек  корпус  R_Э1  эмиттер-база-коллектор VТ₁  R_К1  Rф-Ек;

Смещение на переходе база-эмиттер транзистора VТ₁ определяется следую­щим образом:

U_БЭ1 = U_RБЭ2 – U_RЭ1.

Смещение на переходе база-эмиттер транзистора VT₂ равно:

U_БЭ2 = U_дел2 – U_RЭ2= (U_RЭ1 + U_{ЭК VТ1}) – U_RЭ2.

Если предположить, что VT_l и VT₂ работают в одинаковых режимах (напри­мер, при U_БЭ = 0,2 В и U_KЭ = 3 В), то нетрудно убедиться, что для питания второ­го каскада требуется более высокое постоянное напряжение за счет вынужден­ного увеличения напряжения на R_Э2, так как R₃₂ > R_Э1.-

При наличии третьего каскада потребовалось бы еще большее увеличение Е_к, поскольку U_БЭЗ = (U_RЭ2 + U_{ЭK VТ2}) – U_RЭ3. В численном выражении U_RЭ3 = (5,8 + 3) - 0,2 = 8,6 В. Таким образом, в нашем примере: U_RЭ3 = 3 В; U_RЭ2= 5,8 В; U_RЭ3 = 8,6 В. Видно, что с увеличением числа каскадов требуется увеличивать напряжение ис­точника питания Ек. Этот факт является недостатком усилителей с непосредст­венными связями на однотипных транзисторах.

В случае, если напряжение Е_к оказывается недостаточным, применяют схемы на транзисторах с различным типом проводимости, которые включаются пооче­редно друг за другом. Хотя здесь и не требуется увеличения напряжения источни­ка питания (берется как для одного каскада), однако с точки зрения эксплуата­ции и изготовления это нежелательно из-за увеличения разнотипности деталей. Поэтому такая мера используется лишь в крайних случаях.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Пусть статический режим обеспечен и к зажимам 1-1' приложено напряжение сиг­нала . Это напряжение через С_Э1 прикладывается к участку база-эмиттер VT₁ и вызывает пульсации тока базы, который в свою очередь вызывает пульсации тока коллектора. Таким образом, в составе тока Iк появляется переменная со­ставляющая, источником которой является транзистор VT_{. Цель протекания пе­ременной составляющей коллекторного тока (рисунок 6.26):

коллектор VТ₁

Ток базы транзистора VT₂ становится пульсирующим и вызывает пульсации коллекторного тока Iк транзистора VT₂, то есть происходит управление транзи­стором VT₂. В коллекторном токе I_К2 появляется переменная составляющая, ко­торая протекает по цепи:

коллектор VТ₂

СТАБИЛИЗАЦИЯ СТАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА

Покажем динамику стабилизации статического режима на примере вышеприве­денной схемы (рисунок 6.27). Опишем процессы только во втором каскаде, посколь­ку стабилизация первого не отличается от ранее рассмотренной схемы с общим эмиттером.

Рисунок 6.27 – Параллельная ООС по постоянному току

Пусть увеличилась температура. Тогда уменьшится сопротивление RVТ1, сле­довательно, уменьшится также сопротивление (RVТ1 + RЭ1) значит, уменьшит­ся (Uкэ1 + URЭ1). В результате: UЪЭ2  = (UKЭl + URЭ1 )  - URЭ2  => IK2   const, то есть второй каскад стабилизируется лучше, чем первый. Стабилизация второго каскада еще больше улучшится, если учесть, что здесь RЭ2 > RЭ1.

На практике для улучшения стабилизации статического режима усилителей с непосредственными связями широко используется межкаскадная ООС по постоянному току.

Реализации межкаскадной ООС по постоянному току достаточно разнообразны. Однако суть их в упрощенном варианте можно свести к двум схемам: параллельная ООС по постоянному току (рисунок 6.27.) и последовательная ООС по постоянному напряжению (рисунок 6.28).

Для рисунка 6.27 действие цепи ООС можно объяснить следующим образом. Пусть температура увеличилась, что влечет за собой уменьшение сопротивления обоих транзисторов и увеличение их коллекторных токов (I_k1, I_к2).

Поскольку ток базы I_Б1 транзистора VT₁ протекает по цепи:

корпус  R_Э1  эмиттер-база VТ₁ Rос 

эмиттер – база VТ₂  …  -Ек,

то он увеличится более существенно благодаря уменьшению сопротивления тран­зистора VT₂.

Рисунок 6.28 – Последовательная ООС по постоянному напряжению

В результате транзистор VT1 откроется сильнее, напряжение Uк1 - корпус резко уменьшится, а это приведет к такому же уменьшению тока базы VT2. Как следст­вие, уменьшится ток IК2 транзистора VT2. Затем уменьшится и коллекторный ток транзистора VTl. Таким образом, осуществляется стабилизация коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2. Аналогично можно объяснить стабилизацию статического режима для схемы на рисунке 6.28.

Пусть по каким-либо причинам увеличилось напряжение U_КЭ2 (уве­личился потенциал точки К₂). Следовательно, возрастет напряжение U_{Э – корпус VТ1}, а это, в свою очередь, вызовет увеличение тока I_Эб (в сторону R_Ei). Транзи­стор VT₁ открывается сильнее и через него пойдет больший ток I_К1.

Увеличится падение напряжения на резисторе R_K1 (увеличится потенциал точки K₁). Следовательно, транзистор VT₂ призакроется и уменьшится ток кол­лектора I_кVТ2, а значит, и падение напряжения на резисторе R_K2 (уменьшится по­тенциал точки К2). Резистор R_oc задает степень открывания транзистора VT₁ то есть определяет совместно с R_Б1, R_Б2 и R_Э1 смещение на базу этого транзистора.

Таким образом, ток базы транзистора VT₁ будет меняться, как и в предыдущем случае, в зависимости от сопротивления транзистора VT₂, что и приводит к появ­лению ООС, стабилизирующей статический режим. Следует иметь в виду, что стабилизация статического режима — это не самоцель. В конечном счете, ее осу­ществление приводит к меньшей зависимости внешних показателей усилителей (частотных и других характеристик) от различных дестабилизирующих факторов.

Однако описанных приемов зачастую оказывается недостаточно. Более высо­кие результаты достигаются, если наряду с ООС по постоянному току применя­ется ООС по частоте сигнала.

МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ОБЩЕЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ

СВЯЗЬЮ

В МКУ может применяться как местная, так и общая (межкаскадная) ООС по переменному току.

При использовании только местной ООС получается наиболее точное управ­ление величиной коэффициента усиления. Однако общая ООС при равном про­игрыше в усилении может быть значительно глубже и, следовательно, эффек­тивнее нескольких местных. Поэтому, несмотря на усложнение техники расчета и налаживания усилительного устройства, часто стремятся охватить весь усили­тель общей петлей ООС.

Обычно такая обратная связь осуществляется с помощью резистора, задаю­щего ее глубину, и подается с оконечного каскада на первые, но может охваты­вать и часть каскадов, например первый и второй, второй и третий.

При использовании общей ООС возникают проблемы, которые обусловлива­ют схемное построение усилителей.

• Проблема инвертирования фазы сигнала. Необходимо такое включение цепи ОС, чтобы напряжение с выхода поступало на вход в противофазе с сигналом.

• Обеспечение устойчивости МКУ. Для обеспечения устойчивости при глубо­кой ОС, особенно при широкой полосе частот, используются различные при­емы, в том числе и корректирующие цепи.

НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МЕЖКАСКАДНОЙ ООС

На рисунке 6.29 показана упрощенная схема двухкаскадного усилителя с общей по­следовательной ООС по напряжению.

Здесь напряжение ОС с коллектора транзистора VT₂ прикладывается к эмитте­ру транзистора VT_i через цепочку R_ос -C_ос. Такое решение обусловлено тем, что напряжение на коллекторе транзистора VT₂ находится в фазе с входным. Поэто­му если его подавать на базу транзистора VT₁, то ОС окажется положительной.

Рисунок 6.29 – Общая последовательность ООС по напряжению

Как видно, в первом каскаде осуществлена местная ООС. Глубина ООС опре­деляется резисторами Roc и Rос1. Она тем больше, чем меньше Roc и чем боль­ше Rос1. На рисунке 6.30 показан другой вариант осуществления ООС в двухкаскадном усилителе. Поскольку напряжение на Roc2 находится в фазе с напряжением на коллекторе транзистора VTlt а оно, в свою очередь, — в противофазе с входным, то цепь ОС подключается к базе транзистора VTt. Таким образом осуществляется параллельная ООС по току. Глубина ОС опре­деляется резисторами ROC1 и Roc2 , причем она тем глубже, чем меньше R0C] и чем больше Rоc2. Из схемы видно, что во втором каскаде осуществлена также местная ООС.

Рисунок 6.30 – Общая параллельная ООС по току

Следует иметь в виду, что рассмотренные выше обратные связи способствуют изменению входного и выходного сопротивлений, но только в одном, свойствен­ном данному виду связи, направлении. Так, в схеме на рисунке 6.29 увеличивается Rвх и уменьшается Rвых, а в схеме на рисунке 6.30 уменьшается RBX и увеличивается RBba. Степень вносимого изменения оказывается тем заметнее, чем больше глубина ОС. Кроме того, величина входного и выходного сопротивлений получается за­висимой от многих показателей усилителя, в частности от его собственных со­противлений и усилительных свойств. И наконец, у подобных устройств измене­ние внешних сопротивлений на входе и выходе (источник сигнала и нагрузка) сказывается на величине глубины ОС.

Получить нужные входные и выходные сопротивления и устранить указан­ные недостатки позволяет применение комбинированной {смешанной) ООС. Эти свойства являются весьма ценными при построении так называемых линейных усилителей многоканальной аппаратуры связи. К таким усилителям предъявля­ются особо жесткие требования по стабильности всех параметров, нелинейным и частотным искажениям. Перечисленные требования могут быть удовлетворены благодаря применению глубокой ООС. Причем во избежание искажений сигна­лов усилитель должен быть согласован по входу и выходу с подключенными к нему устройствами (линией).

Отсюда возникает требование получения определенных величин входных и выходных сопротивлений и их высокой стабильности. Все эти требования вме­сте и диктуют необходимость применения комбинированной ООС.

КОРРЕКЦИЯ МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Коррекция МКУ осуществляется либо с целью обеспечения устойчивости, либо для придания АЧХ нужной формы.

Обратная связь в усилителе с числом каскадов более двух, выполненная в сере­дине рабочего диапазона как ООС, может оказаться положительной на его краях или за его пределами из-за фазовых сдвигов, вносимых усилителями и цепью ОС.

В этом случае могут возникнуть условия, в которых на выходе появляется на­пряжение при отсутствии сигнала на входе. Возникновение собственных колеба­ний в усилителе называется самовозбуждением или генерацией.

Собственные колебания обычно оказываются настолько мощными, что по­давляют полезный сигнал. Поэтому возникновение генерации в усилительном устройстве недопустимо. Одной из основных задач проектирования является ее предотвращение. С этой целью применяются корректирующие цепи, которые мо­гут вводиться как непосредственно в усилители, так и в цепи обратной связи, причем раздельно для НЧ - и ВЧ - областей частотного диапазона.

В области нижних частот обеспечить устойчивость сравнительно легко. Здесь в качестве корректирующей цепи широко используется резистор R₃ и конденса­тор С_э. В этом случае величина С_э берется меньше обычной, за счет чего в облас­ти НЧ, где возникает опасность самовозбуждения, появляется местная ООС, ко­торая уменьшает усиление и, следовательно, придает устойчивость усилителю.

В области верхних частот обеспечение устойчивости вызывает большие труд­ности. Связано это с тем, что здесь определенную роль начинают играть трудно учитываемые различного рода паразитные связи.

Для предотвращения самовозбуждения и ограничения диапазона усиления в области ВЧ применяются в основном конденсаторы и ЛС - цепочки, включение которых в схему может быть самым разнообразным.

Так, например, широко используется местная частотно-зависимая парал­лельная ООС по напряжению посредством включения конденсатора небольшой емкости между базой и коллектором; включение параллельно входу или выходу усилителя конденсатора или последовательной RС-цепочки, которые на ВЧ ока­зывают шунтирующее действие и снижают усиление; включение дополнитель­ного конденсатора или ЛС-цепочки в цепь общей ООС с таким расчетом, чтобы на высоких частотах глубина ООС возрастала и тем самым снижала величину коэффициента усиления.

Улучшению устойчивости способствует также введение в усилительное уст­ройство эмиттерных повторителей. Коррекция с целью придания АЧХ нужной формы может осуществляться ранее описанными способами в отдельных каска­дах или с помощью цепей общей ООС.

Принцип коррекции остается прежним: если требуется увеличить усиление в какой-либо области частот, то на этих частотах глубина ООС должна уменьшать­ся, если наоборот — увеличиваться. С этой целью используются различные схемы включения конденсаторов, катушек индуктивности, колебательных контуров.

ВЫВОДЫ:

1. Коэффициент усиления и коэффициент частотных искажений МКУ равен произведению коэффициентов усиления или коэффициентов частотных ис­кажений всех каскадов.

2. Нелинейные искажения МКУ в основном определяются нелинейностью уси­лительного элемента оконечного каскада.

3. Применение ООС по току и по напряжению существенно влияет на параметры усилителя. Изменяются входное и выходное сопротивления, улучшаются ча­стотные свойства, стабилизируется коэффициент усиления. Однако при этом R_BX и R_BblK каскада, как правило, зависят от сопротивления нагрузки, источника сигнала и коэффициента усиления усилительного элемента. Поэтому для обес­печения независимости от этих факторов применяют комбинированную ОС.

4. Для стабилизации режима работы МКУ с непосредственной связью исполь­зуют ООС по постоянному току.

5. Формирование АЧХ обеспечивается включением соответствующих корректи­рующих элементов.

6. Самовозбуждение МКУ может возникнуть за счет паразитных ОС. Из них наиболее опасными являются паразитные ОС через общий источник пита­ния, где для их устранения применяются развязывающие фильтры в цепях питания усилительных элементов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Как определить общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя?

2. Каким образом учитываются коэффициенты частотных искажений и углы сдвига фаз, вносимые отдельными каскадами, в многокаскадном усилителе?

3. В чем отличие стабилизации статического режима во втором каскаде (после­дующем) от стабилизации в первом каскаде?

4. Покажите цепи протекания постоянной и переменной составляющей токов в различных каскадах многокаскадного усилителя.

5. Что называют самовозбуждением или потерей устойчивости усилителя? При каких условиях возникает самовозбуждение усилителя?

6. Может ли усилитель с отрицательной обратной связью потерять устойчивость?

7. Какие меры применяют для обеспечения устойчивости усилителя с отрица­тельной обратной связью?