2.Выбор и обоснование структурной схемы усилителя

Так как требуемый коэффициент усиления по напряжению проектируемого усилителя достигает нескольких сотен (K_U = U_mН / Е_г=1,5·10³ / 3 ≈ 500) , то целесообразно составлять усилитель из нескольких простейших усилителей. Такой простейший усилитель называется усилительным каскадом – часть, образующая одну ступень усиления. Они соединяются между собой последовательно так, чтобы выходной сигнал предыдущего каскада являлся входным сигналом последующего, образуя совместно многокаскадный усилитель. Их обобщенная структурная схема была приведена на рис. 2. На ней можно выделить входной, выходной и промежуточные каскады, которые располагаются между первыми двумя.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема многокаскадного усилителя

Основной задачей входного каскада является согласования электрических характеристик источника входного сигнала и усилителя. Особенности его построения во многом определяются характеристиками источника сигнала. Например, очень часто общие точки («земля») датчиков не имеют электрического соединения с общей точкой («землей») усилителя. В этом случае входной каскад должен строиться по схеме дифференциального усилителя, как это схематически изображено на рис. 2. Большинство первичных датчиков являются маломощными, «хорошо» работающими на нагрузку с большим сопротивлением. В некоторых случаях, датчик построен по схеме «генератора стабильного тока», для которого необходима нагрузка (входное сопротивление водного каскада усилителя) со сравнительно небольшим сопротивлением. Все это должно учитываться при выборе схемы и проектировании входного каскада. Выходной каскад должен обеспечить подачу в нагрузку заданной мощности сигнала. Поэтому он обычно называется усилителем мощности. При его проектировании несомненно учитываются особенности реальной нагрузки. Например, изолированная (не допускающая заземления) нагрузка может привести к использованию специальных схемотехнических решений. Так как сигнал в выходном усилителе достигает максимальных величин, то при проектировании большое внимание уделяется получению минимальных искажениях его формы.

Все каскады между входным и выходным называются промежуточными или каскадами предварительного усиления. Для уменьшения энергетических потерь (получения большего К.П. Д) оказалось выгодным возложить на них функцию максимального усиления по напряжению. Зачастую сигнал, приходящий на оконечный каскад, имеет напряжение такой же величины, как и в нагрузке. Поэтому основная часть нелинейных искажений, которыми характеризуется усилитель, возникает в оконечном каскаде, что должно учитываться при его проектировании. Количество каскадов предварительного усиления определяется необходимым усилением. Обычно в предварительных каскадах осуществляется необходимая обработка входного сигнала, например, регулировка усиления, фильтрация входного сигнала и т.п. Очень часто между каскадами предварительного усиления и каскадом усиления мощности включается так называемый предоконечный каскад, задача которого состоит в обеспечении нормального функционирования усилителя мощности. Например, предоконечный каскад в виде фазоинверсного каскада обеспечивает работу двухтактного усилителя мощности. В некоторых случаях его объединяют с усилителем мощности и проводят совместный расчет.

В задании на расчет усилителя обычно задают коэффициент усиления по напряжению K_U ≈ 500, верхнюю и нижнюю граничные частоты f_В, = 20 МГц и f_Н, = 75 Гц при заданных коэффициентах частотных искажений М_{в= 2,0 дБ} и М_н =2,5 дБ, уровень нелинейных искажений К_НИ = 9%;, требования к стабильности характеристик в диапазоне температур 10%. и т.д. Эскизный расчет усилителя состоит в выборе усилительного элемента, определении числа каскадов, распределении по каскадам частотных искажений так, чтобы их суммарная величина не превосходила заданную. Предварительно частотные искажения распределяют по каскадам равномерно. В процессе расчета их обычно приходится перераспределять для ослабления требований к какому-либо каскаду, чаще всего к предоконечному.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. При последовательном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т.е.

К_общ = К₁ К₂…. . Кn.

Коэффициент усиления, вычисленный по этой формуле , представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен

K_P [дБ] = 10 lg (P₂/P₁) = 10 lg K_P.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, для коэффициентов усиления по току и напряжению можно записать соответственно:

K_I [дБ] = 20 lg (I₂/I₁) = 20 lg K_I,

K_U [дБ] = 20 lg (U₂/U₁) = 20 lg K_U.

Обратный переход от децибел к безразмерному числу производится при помощи выражения

,

где N = 10 при расчете коэффициента усиления по мощности и N = 20 – при расчетах по напряжению и току.

Логарифмическая мера оценки удобна при анализе многокаскадных усилителей. Действительно, общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя при переходе к логарифмическим единицам измерения определяется в отличие от коэффициента усиления, представляющего собой безразмерную величину, суммой коэффициентов усиления отдельных каскадов, т.е.

K_общ [дБ] = K₁ [дБ] + +К₂ [дБ] +... + К_n [дБ].

Полученное значение общего коэффициента усиления К_общ. позволяет ориентировочно определить число каскадов n, полагая, что один каскад в схеме с общим эмиттером обеспечивает коэффициент усиления мощности не менее 30 - 100. При использовании в отдельных каскадах местной или глубокой ООС во всем усилителе число каскадов следует увеличить.

Полоса частот в пределах от wн до wв называется рабочей полосой частот, или полосой пропускания усилителя:

ω = ω_В – ω_Н или Df = fв – fн

Если при проектировании многокаскадного усилителя задана полоса пропускания усилителя (Df_ус), то полоса пропускания отдельного каскада (Df_кас) должна быть более широкой. При примерно одинаковой полосе пропускания каскадов должны выполняться следующие соотношения:

Отсюда видно, что полоса пропускания многокаскадного усилителя значительно уже полосы пропускания одного каскада.

Для многокаскадного широкополосного усилителя результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом:

,

где М -результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ;

М - коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ.

Суммирование в этом выражении производится (n+1) раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной R ,R и С (см.рис.3).

Предварительно распределить искажения можно равномерно, при этом

В последующем, исходя из результатов промежуточных расчетов,  возможно перераспределение искажений между каскадами.

Частотные искажения УУ в области нижних частот (НЧ) определяются следующим соотношением:

,

Где М_н - результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ, дБ;

М_{н i} - искажения, приходящиеся на i-й элемент, дБ;

n - количество элементов, вносящих искажения на НЧ.

Количество элементов, вносящих искажения на НЧ (обычно это блокировочные в цепях эмиттеров и разделительные межкаскадные конденсаторы), становится известным после окончательного выбора топологии электрической схемы УУ, поэтому распределение искажений в области НЧ проводят на этапе расчета номиналов этих элементов. Из предыдущей формулы следует, что при равномерном распределении низкочастотных искажений, их доля (в децибелах) на каждый из n элементов определится из соотношения:

Т.е. предварительно частотные искажения распределяют по каскадам равномерно. В процессе расчета их обычно приходится перераспределять для ослабления требований к какому-либо каскаду, чаще всего к предоконечному.

Общая величина нелинейных искажений К_ни (или коэффициент гармоник К_г), возникающих на выходе усилителя и созданных отдельными каскадами этого усилителя, определяется по приближенной формуле:

,

где К_г1, К_г2 – нелинейные искажения, вносимые каждым каскадом усилителя.

Нелинейные искажения каждого каскада, прежде всего, определяются величиной усиливаемого сигнала. Поэтому максимальные искажения обычно вносит последний оконечный каскад.

Проведенный выше анализ исходных данных позволил установить, что по усиливаемому электрическому показателю проектируемый усилитель относится к маломощным усилителям напряжения. По исходным данным определяющим свойством является усиление напряжения, т.к. оконечная выходная часть усилителя рассчитана на отдачу в цепь внешней нагрузки определенной величины напряжения при заданной величине входного сигнала. При таком большем значении коэффициента усиления усилителя по напряжению проектируемый усилитель может быть реализован только по многокаскадной схеме. В каскадах маломощных усилителей напряжения на биполярных транзисторах в заданном диапазоне частот наиболее чаще других используется схема включения активного элемента с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора. Причем режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах. Это позволяет в качестве структурной схемы усилителя выбрать схему, состоящую из каскадов на однотипных, активных приборах с одинаковыми параметрами. В таком случае общий коэффициент усиления будет находиться как произведение коэффициентов усиления каждого из каскадов.

Так как выполняется эскизный расчет маломощного широкополосного усилителя с f_в порядка десятков мегагерц, работающего в низкоомном согласованном тракте передачи и предположительно выполняемого на биполярных транзисторах, то актуальной становится задача его согласования с источником сигнала и нагрузкой Режим согласования обычно предусматривает равенство внутреннего сопротивления источника сигнала, входного и выходного сопротивления усилителя, сопротивления нагрузки волновому сопротивлению тракта передачи сигнала.

При решении задачи согласования важными характеристиками усилителя в целом и его каскадов являются их входное и выходное сопротивления. Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным – сопротивление нагрузки. На рисунке 3. показана одна из возможных эквивалентных схем усилительного каскада, где усилитель (>) представлен в виде четырехполюсника. Источник сигнала (генератор G), подключаемый ко входу усилителя, характеризуется величиной ЭДС Е_г и внутренним сопротивлением R_г. Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки R_н.

Рис.3. Усилитель как четырехполюсник

При построении схемы использована теорема об эквивалентном источнике, согласно которой любую, сколь угодно сложную схему, всегда можно представить в виде источника ЭДС и включенного последовательно с ним резистора, соответствующего выходному сопротивлению. Это применено при изображении генератора ( элементы Е_г и R_г ) и выходной цепи усилителя( элементы Е_вых и R_вых). С другой стороны, входную цепь любого каскада всегда можно представить в виде резистора, соответствующего эквивалентному входному сопротивлению такого каскада, что сделано применительно к входной цепи усилителя( элемент R_вх ) и нагрузки( элемент R_н ).

Выбор типа входного каскада производится исходя из условия:

где - входное сопротивление входного каскада;

= 200 Ом - выходное сопротивление источника сигнала.

По условиям задания необходимо предусмотреть согласование выходного сопротивления усилителя R_вых с сопротивлением нагрузки R_н, подключаемой через коаксиальный кабель.

Часто каскад OK применяют в качестве выходного каскада усилителя, работающего на коаксиальный кабель или другую длинную линию ( см. рис. 3.).

Наилучшие условия передачи сигнала по кабельным линиям достигается при согласовании линии на обоих ее концах. Это означает, что выходное со­противление каскада R_вых, волновое сопротивление коаксиального кабеля ρ, и сопротивление нагрузки R_н=75 Ом должны быть равны, т.е.

R_вых = ρ = R_н.

Если выходное сопротивление каскада меньше волнового сопротивления кабеля, то последовательно с нагрузкой включают дополнительный резистор R_доп, сопротивление которого выбирается из условия согласования

R_н + R_доб = ρ.

Проанализируем входные и выходные сопротивления усилительных каскадов на биполярном транзисторе при различных схемах включения транзистора. В табл. 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

Таблица 1

Параметры	с общей базой (ОБ)	с общим эмиттером (ОЭ)	с общим коллектором (OK)
Коэффициент усиления по напряжению	30—400	30—1000	<I
Коэффициент усиления по току	<I	10—200	10-200
Коэффициент усиления по мощности	30—400	3000—30000	10—200
Входное сопротивление	50—100 Ом	200—2000 Ом	10—500 кОм
Выходное сопротивление	0,1—0,5 мОм	30—70 кОм	50—100 ОМ

Схема включения с ОБ обладает сравнительно малым входным и большим выходным сопротивлением, однако, сравнительно небольшая зависимость параметров от температуры и более равномерная частотная характеристика выгодно отличает ее от других схем включения. В схеме с ОБ достигаются максимальные значения коллекторного напряжения, что важно для использования в ней мощных транзисторов. Схема включения с ОЭ обладает наибольшим усилением по мощности, что уменьшает количество каскадов в схеме, но неравномерная частотная характеристика, большая зависимость параметров от температуры и меньшее максимально допустимое коллекторное напряжение снижают преимущества этой схемы включения. Входные и выходные сопротивления усилителя на транзисторах, включенных в схему с ОЭ, отличаются меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает построение многокаскадных усилителей. Схема включения с ОК (эмиттерный повторитель) обладает большим входным и малым выходным сопротивлением. Это свойство находит широкое применение в согласующих каскадах. Частотная характеристика схемы сходна со схемой включения транзистора с ОЭ.

Из сопоставления значений входных и выходных сопротивлений усилительных каскадов на биполярном транзисторе при различных схемах включения транзистора с заданными значениями сопротивления источника сигнала R_г и сопротивления нагрузки R_н следует, что все каскады проектируемого усилителя могут быть выполнены по единой типовой схеме, построенной на биполярном транзисторе по схема включения транзисторе с общим эмиттером.

Определим ориентировочное количество каскадов усилителя по следующей формуле:

n = 1,5·lg K_U = 1,5·lg 500 = 4,05.

Количество каскадов округляют до ближайшего целого нечетного числа (в большую сторону), так как схема с ОЭ дает сдвиг фаз 180°. Таким образом, ориентировочное количество каскадов усилителя n = 5.

С учетом проведенного эскизного анализа структурная схема проектируемого усилителя имеет вид, представленный не рис.4.

Рис.4. Структурная схема проектируемого усилителя

Предъявляемые к проектируемому усилителю высокие требования по допустимым показателям частотных и нелинейных искажений в заданном достаточно широком диапазоне частот и допустимой нестабильности коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур будут обеспечены схемными решениями путем введения в схему соответствующих усилительных каскадов корректирующих элементов и элементов обратных связей.