8.3. Многокаскадные усилители

Характеристики усилителей определяются параметрами подлежащих усилению сигналов и допустимыми искажениями. Одни задачи решаются при помощи узкополосных усилителей, для других требуется широкая полоса. Расширение полосы пропускания сверх той, которая требуется для передачи формы сигнала с заданной точностью, ведет к возрастанию уровня шумов и уменьшению динамического диапазона усилителя. Рассмотрим основные характеристики многокаскадных резистивно-емкостных усилителей.

Общий коэффициент передачи напряжения n-каскадной схемы:

. (8.19)

Общий фазовый сдвиг каждой частотной составляющей

, (8.20)

Здесь К_i и φ_i - коэффициенты передачи и фазовый сдвиг 1-го каскада соответственно.

Рассмотрим частотную характеристику многокаскадного усилителя в области верхних частот. Из (8.11) и (8.13) запишем нормированную частотную характеристику каскада

. (8.21)

В многокаскадном усилителе

. (8.22)

При идентичности каскадов

. (8.23)

Определяя по-прежнему полосу пропускания усилителя на уровне , из (8.21) получаем верхнюю граничную частоту для одного каскада

. (8.24)

Приравняв М к в (8.23), найдем верхнюю граничную частоту усилителя из п каскадов:

. (8.25)

Аналогичным образом определим выражения для нижних граничных частот каскада и усилителя в целом:

, (8.26)

. (8.27)

Выражения (8.25) и (8.27) иллюстрируют закономерность сужения полосы пропускания n-каскадного усилителя по сравнению с полосой пропускания отдельного каскада.

8.4. Коррекция частотной характеристики

Важной характеристикой усилителя является произведение верхней граничной частоты на коэффициент усиления. Из (8.7), (8.11) и (8.24) следует, что это произведение для резистивно-емкостного каскада

, (8.28)

не зависит от параметров схемы, а полностью определяется характеристиками активного элемента (если, разумеется, приняты меры для обеспечения минимальной емкости монтажа). Повысить величину K_0ω можно методами частотной коррекции. Один из простейших каскадов с коррекцией образуется при включении индуктивности последовательно с сопротивлением нагрузки RC-каскада (рис. 8.5а). При этом в выходной цепи каскада образуется параллельный колебательный контур RLC₂, поэтому коррекция называется параллельной. Образовавшийся контур шунтируется внутренним сопротивлением активного элемента (R_i) и сопротивлением нагрузки (R_H). Однако его добротность определяется главным образом сопротивлением R и эквивалентная схема выходной цепи каскада принимает вид, показанный на рис. 8.5б.

Рис. 8.5. Принципиальная схема усилителя с параллельной коррекцией (а), упрощенная эквивалентная схема выходной цепи (б) и амплитудно-частотные характеристики при различных k (в)

Индуктивность для цепи параллельной коррекции рассчитывают по формуле L = kR²C₂. (8.29)

где k - постоянная, называемая коэффициентом коррекции. Чаще всего выбирают k=0,35, тогда резонансная частота образовавшегося контура равна:

. (8.30)

с учетом (8.29) и (8.30) добротность контура

. (8.31)

Рис. 4.6. Принципиальная схема усилительного каскада с низкочастотной коррекцией

Такие параметры контура обеспечивают увеличение эквивалентного сопротивления выходной цепи усилителя с возрастанием частоты вблизи ω_в и, следовательно, расширение полосы усиливаемых частот. Зависимость частотной характеристики усилителя с параллельной коррекцией от k показана на рис. 8.5в.

Коррекция частотной характеристики усилителя в области низких частот (рис. 8.6) просто осуществляем включением цепи R_кopC_кор повышающей сопротивление нагрузки на низких частотах, что ведет к снижению ω_Н . Если R_i»R_Н, то емкость C_коp выбирается из условия R C_коp = R_НC₁,. (8.32)

которое получается при предположении, что R_кор= . Если емкость С_кор взять меньше, чем это следует из (8.32), то в низкочастотной области появится подъем частотной характеристики.

Различные цепи коррекции довольно широко применяются как в усилителях низкой частоты, так и в импульсных усилителях. Высокочастотная коррекция способствует более правильной передаче крутых фронтов и спадов импульсов, низкочастотная - улучшению пере дачи плоских вершин импульсов. Заметим, что с помощью цепей коррекции нельзя полностью устранить искажения при усилении импульсных сигналов.