Многокаскадные усилители

При усилении слабых сигналов одного каскада усиления может оказаться мало для получения заданного усиления но напряжению, току или мощности. В этом случае применяют многокаскадный усилитель. Каскады могут быть однотипными или разнотипными.

Входное сопротивление усилителя определяется первым каскадом, а выходное — последним. Общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов. Связь между каскадами может быть непосредственной, конденсаторной (RC-связью) или трансформаторной. Непосредственная связь используется главным образом в интегральных усилителях, а трансформаторная - в усилителях мощности и радиочастотных усилителях. Усилители с конденсаторной связью применяются наиболее часто, т.к. они просты, имеют малые габариты и массу. При построении многокаскадных усилителей необходимо обеспечить согласование каскадов без существенной потери усиления. В этом смысле каскад ОБ имеющий малое входное и большое выходное сопротивления, наименее пригоден. Каскад ОК, имеющий большое входное и малое выходное сопротивления, хорошо согласовывает каскады усиления, но сам обладает плохим усилением и поэтому может использоваться на выходе усилителя.

В качестве усилительных каскадов чаще всего используется схема ОЭ, занимающая по входному и выходному сопротивлениям промежуточное положение, но обладающая высоким усилением по напряжению и мощности.

На рис. 2.27 показана типовая схема двухкаскадного усилителя с RC-связью. Каждый каскад содержит цепи эмиттерной стабилизации. Нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада. Расчеты каскадов проводят обычным порядком в направлении от выходного к первому. Иногда для уменьшения возможности самовозбуждения за счет паразитных положительных обратных связей первый каскад усилителя подключается к источнику питания через фильтрующую RC-цепочку.

Особенности усиления низких частот заключаются в уменьшении проводимости межкаскадных разделительных конденсаторов и эмиттерных конденсаторов в каскадах. Поэтому по мере уменьшения частоты усиление снижается. Для предотвращения падения усиления необходимо увеличивать емкость разделительных и эмиттерных конденсаторов, но это увеличение возможно лишь до известных разумных пределов. Конденсаторы очень большой емкости велики по размерам и обладают нестабильными параметрами.

Со снижением частоты появляются нелинейные частотные искажения за счет того, что отдельные гармоники сигнала усиливаются слабее. Коэффициент частотных искажении, обусловленных каждым конденсатором, можно вычислить, зная постоянную времени конденсатора t_c:

Например, для C_э1, ; для C_э1, .

Для усилителей низкой частоты допустимый коэффициент частотных искажении принимают равным . Поэтому необходимо использовать такие конденсаторы, чтобы выдерживалось условие .

С понижением частоты появляются не только частотные, но и фазовые искажения, вносимые конденсаторами:

Каждый конденсатор вносит фазовое искажение, зависящее от его постоянной времени:

На высоких частотах начинают проявляться снижение коэффициента усиления по току самого транзистора b и шунтирующее влияние емкости коллекторного перехода С_к. Для ослабления этих явлений необходимо использовать транзисторы с соответствующими частотными свойствами. Невозможно построить усилитель высокой частоты на низкочастотном транзисторе.

Усилители с RC-связью достаточно широко представлены в интегральном исполнении; серии микросхем К224, К123, К175, K237 и другие. Например, усилители серии К123 обеспечивают усиление по напряжению от 30 до 500 раз в диапазоне частот от 200 Гц до 100 кГц.

Многокаскадные усилители с трансформаторной связью содержат согласующие трансформаторы. Первичная обмотка трансформатора включается цепь выходного тока предыдущего каскада, а вторичная — на вход следующего каскада (в усилителях напряжений) или на нагрузку (в выходных усилителях (рис. 2.28)). Трансформатор представляет нулевое сопротивление для постоянного тока и большое сопротивление для переменной составляющей тока. Достоинства трансформаторной связи следующие:

1. За счет коэффициента трансформации можно поднять K_U (если трансформатор повышающий) или K_I; (если понижающий) всего усилителя.

2. Все напряжение подводится к коллектору транзистора (без R_к), поэтому можно уменьшить напряжение питания.

3. Хорошее согласование каскадов — лучше передается полезная мощность.

На рис. 2.29 показана принципиальная схема двухкаскадного усилителя мощности на биполярных транзисторах по схеме ОЭ с трансформаторной связью между каскадами. Если число витков обмоток согласующего трансформатора одинаково W₁ = W₂, то нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада: R_н = R_вх2. В общем виде W₁ ¹ W₂ и трансформатор преобразует R_вх2 в величину приведенного к первичной обмотке активного сопротивления:

Величину коэффициента трансформации выбирают из условия согласования сопротивления каскадов:

Сопротивление нагрузки по переменному току для первого каскада имеет активный характер, пока индуктивное сопротивление первичной обмотки велико, т.е. соблюдается условие wL₁ = R_н¢.

Частотные искажения в трансформаторном усилителе обусловлены не только переходными и эмиттерными конденсаторами, но и трансформатором. В области нижних частот индуктивное сопротивление первичной обмотки L₁ падает и шунтирует заметным образом эквивалентную нагрузку каскада R_н¢, снижая коэффициент усиления.

Увеличение индуктивности трансформатора связано с ростом его габаритов и массы.

В области верхних частот растут индуктивность рассеяния трансформатора и тем самым снижается напряжение полезного сигнала, подводимого к R_н¢, что также снижает усиление.

В усилителях с трансформаторной связью при большом сопротивлении нагрузки каскада может возникнуть резонанс напряжений, обусловленный индуктивностью рассеяния и емкостью С_р2. Это вызывает подъем частотной характеристики усилителя в области высоких частот (рис. 2.30).

Первый каскад усилителя можно рассматривать как обычный усилитель по схеме ОЭ, вместо коллекторного сопротивления R_к у которого включено эквивалентное сопротивление . Нагрузочная линия по постоянному току у усилителей с трансформаторной связью проходит почти вертикально; незначительный ее наклон обусловлен палением напряжения на активном сопротивлении обмотки трансформатора. Поэтому всегда, даже в режиме малого сигнала, строят линию нагрузки по переменному току, называемую динамической характеристикой переменного тока ДХПТ в отличие от линии нагрузки по постоянному току ЛНПТ. ДХПТ должна быть внутри области, ограниченной максимально допустимыми значениями коллекторного тока I_к, напряжения U_к и рассеиваемой мощности Р_кдля максимально возможной рабочей температуры.

ДХПТ строится по двум точкам с координатами на оси абсцисс ≤ 2Е_ки на оси ординат ≤ 2Е_к/R_н¢. Точка покоя находится на пресечении ДХПТ и ЛНПТ (рис. 2.31). На практике ток покоя берется из соображения не превысить предельно допустимой мощности:

Ток покоя обеспечивается разовыми резисторами R_б¢, R_б¢¢. Диапазон входных сигналов берется таким, чтобы рабочая точка на ДХПТ не выходила за пределы линейных участков вольтамперных характеристик. Максимально возможный размах (двойная амплитуда) выходного тока в трансформаторном усилителе может достигать величины 2 × I_кл.

Основным недостатком трансформаторной связи является малая технологичность усилителей, определяемая сложностью изготовления трансформаторов, а также большие габариты и масса трансформатора при необходимости работы усилителя на низких частотах.

Усилители мощности

Рассмотренные ранее усилители обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно превышает мощность входных сигналов. Однако основными их показателями являются: коэффициент усиления по напряжению, а для эмиттерного и истоковою повторителей — коэффициент усиления по току. Если же стоит задача максимального усиления мощности, то такие каскады называют усилителями мощности. Основная задача таких усилителей — усиление мощности при высоком КПД и минимуме искажений сигнала.

Нагрузкой усилителя мощности может быть обмотка двигателя, реле, громкоговорителя и т.п. Получение требуемой мощности в нагрузке достигается прежде всего выбором соответствующего транзистора и согласование сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением каскада. Выходное сопротивление каскаде ОЭ и ОИ составляет сотни и тысячи Ом, что в десятки и сотни раз больше R_н. Для согласования сопротивлений служат понижающие трансформаторы.

Однотактный усилитель мощности (рис. 2.32). Такой усилитель чаще всего работает в режиме А. Он используется на выходе многокаскадного усилителя и поэтому называется выходным или оконечным.

Приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки:

При определенном коэффициенте трансформации можно добиться согласования сопротивления R_вых = R_н¢. Для получения максимально возможной мощности амплитуду входного сигнала увеличивают до уровня, при котором используется весь динамический диапазон, т.е. весь линейный участок переходной и входной характеристик транзистора (режим большого сигнала). С целью максимального использования транзистора положение рабочей точки покоя берется вблизи гиперболы предельно допустимой мощности, рассеиваемой транзистором при максимальной температуре окружающей среды (рис. 2.33). При заданных U_кп и P_{к доп} определяем ток покоя I_кп:

При этом амплитуда переменной составляющей коллекторного тока , коллекторного напряжения . Мощность, потребляемая каскадом от источника питания , графически изображается площадью заштрихованного прямоугольника на рис. 2.33. Полезная мощность

изображается площадью заштрихованного треугольника.

КПД каскада:

При максимально возможном размахе выходного тока (I_кm = I_кп) КПД каскада достигает значения 0,5, но при этом уже будут сказываться нелинейные искажения. Обычные значения КПД однотактных недовозбужденных усилителей мощности 0,25–0,4, а если учитывать КПД трансформатора, то могут быть еще меньше. Мощность Р_пит – Р_крассеивается в виде тепла транзистором. Она максимальна и равна Р_пит, при отсутствии сигнала, поэтому транзистор рассчитывают на мощность Р_пит.

Наличие тока I_кп приводит к постоянной составляющей тока через первичную обмотку трансформатора, что вызывает постоянное подмагничивание сердечника, приводящее к снижению индуктивности. Для компенсации этой потери приходится увеличивать сечение магнитопровода, а, следовательно, массу и габариты трансформатора.

Двухтактный усилитель мощности обладает значительно большим КПД. Как правило, он строится по схеме ОЭ и работает в классе B. Усилители мощности в классе B строятся так же и по схеме ОБ, но значительно реже. Схема двухтактного усилителя мощности показана на рис. 2.34. Из рисунка видно, что усилитель состоит из двух симметричных плеч. Транзисторы усилителя подбираются с близкими параметрами. Входной трансформатор необходим для получения двух идентичных, но парафазных напряжений U_вх1 и U_вх2, служащих входными сигналами плеч усилителя. Выходной трансформатор суммирует переменные выходные токи транзисторов. В чистом режиме класса B начальное смещение на транзисторы не подается и резистор R₁ отсутствует. Установка резистора R₁ приближает режим к классу AB, при котором нелинейные искажения значительно меньше.

При отсутствии входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов близки к нулю, транзисторы почти закрыты и на их коллекторах существует напряжение питания Е_к. При первой полуволне входного сигнала работает тот транзистор, на базу которого поступает отпирающее напряжение: в нашем случае использования n-p-n транзисторов – положительное относительно эмиттера. Второй транзистор еще более закрывается. На нагрузке формируется одна полуволна напряжения (рис. 2.35). Вторую полуволну напряжения в нагрузке создает работа второго транзистора. Таким образом, транзисторы работают поочередно. Токи коллекторов в b раз больше базовых токов, что и обеспечивает усиление.

Коллекторные токи транзисторов имеют вид импульсов, а коллекторные напряжения (благодаря выходному трансформатору) синусоидальны.

Среднее значение тока через плечо для синусоиды:

Мощность, потребляемая от источника питания двумя плечами:

Полезная мощность, отдаваемая транзисторами в первичную обмотку выходного трансформатора:

КПД всего каскада:

где — коэффициент использования коллекторного питания:

h_тр — КПД выходного трансформатора.

Даже при e = 1 КПД двухтактного усилителя не может быть более . На практике, с учетом h_тр КПД таких усилителей находится в пределах (0,6–0,7), что примерно в три раза выше, чем в однотактных усилителях класса А.

Мощность, рассеиваемая транзисторами (обоими):

Основные достоинства двухтактных трансформаторных усилителей мощности: высокий КПД, малая чувствительность к пульсациям напряжения питания и отсутствие постоянного подмагничивания выходного трансформатора. Недостаток — худшая по сравнению с однотактными усилителями класса A линейность и необходимость подбора пары идентичных по параметрам транзисторов.

Бестрансформаторные усилители мощности получили широкое распространение благодаря их технологичности, обусловленной отсутствием трудоемкого в изготовлении трансформатора. Правда, такие усилители хуже согласуются с нагрузкой. Эти усилители также состоят из двух плеч и требуют подбора пар транзисторов по идентичности электрических параметров, главным образом, коэффициентов усиления.

Классическая схема двухтактного безтрансформаторного усилителя мощности показана на рис.2.36

Эта схема содержит два транзистора одного типа проводимости и два источника питания. На парафазные входы усилителя подаются сигналы от входного трансформатора или, чаще всего, фазоинверсного каскада. Режим работы транзистора в классе B или AB обеспечивается резисторами смещения. При этом транзистор T₁ включен по схеме ОК, а транзистор T₂ — но схеме ОЭ. В связи с тем, что усиление плеч будет различным, надо принять меры по выравниванию усиления на обеих полуволнах на предыдущем каскаде усиления.

Схема усилителя по рис.2.37полностью идентична предыдущей, но содержит только один источник питания. Здесь нагрузка включена через конденсатор большой емкости С. При отсутствии сигнала конденсатор заряжен до 0,5 Е_к. В такте работы транзистора T₁ транзистор T₂ закрыт, и конденсатор выполняет роль второго источника питания. В такте работы транзистора T₂, ток проходит через источник и конденсатор, пополняя его энергией.

Еще проще получается конструкция бестрансформаторного усилителя при использовании транзисторов разной проводимости - рис.2.38.

При этом отпадает необходимость в парафазных входных сигналах. Оба транзистора работают по схеме ОК.