Особенности построения и расчета многокаскадных усилителей

В многокаскадных усилителях связь между каскадами осуществляется с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. Резистивно-емкостная связь позволяет наиболее просто осуществить независимость режимов каскадов по постоянному току, однако из-за больших емкостей разделительных конденсаторов вызывает существенные затруднения реализация многокаскадных усилителей в виде интегральных микросхем (ИМС).

Развитие современной микроэлектроники выдвинуло необходимость использования непосредственной связи между каскадами усилителя, когда коллектор транзистора предыдущего каскада с ОЭ гальванически связан с базой последующего. Однако в этом случае при заземленном эмиттере транзисторы, как правило, оказываются насыщенными, так как коллекторные резисторы определяют режим по постоянному току, как основного, так и последующего каскадов. Для обеспечения работы транзистора в режиме класса А в эмиттерные цепи включают резисторы R_э.

На рис. 2.1, а приведена схема n-каскадного усилителя с непосредственной связью между каскадами. Предположим, что транзисторы всех n каскадов усилителя на рис. 2.1 работают в одинаковом режиме, т.е. их коллекторные токи покоя I_к01, I_к02, … I_к0n, определяющие режим класса А, равны между собой. При уменьшении R_к будет падать КУ по напряжению каскада, а при увеличении R_э возрастает глубина отрицательной обратной связи (ООС), что также приводит к уменьшению КУ. Следовательно, получить большой КУ в схеме усилителя (рис. 2.1, а) путем введения дополнительных каскадов затруднительно, так как КУ каждого последующего каскада уменьшается по сравнению с КУ предыдущего.

а б

Рис. 2.1

Не удается существенно увеличить КУ, изменяя режим работы транзисторов каждого последующего каскада усилителя. Действительно, если увеличить ток в каждом последующем каскаде, то, во-первых, число каскадов ограничивается допустимым током, протекающим через транзистор последнего каскада, во-вторых, при равенстве R_э резисторы R_к различаются между собой сильнее, чем при одинаковых токах транзисторов. При уменьшении тока в каждом последующем каскаде при равенстве резисторов R_к число каскадов ограничивается минимальным током транзистора последнего каскада.

Для уменьшения глубины ООС и увеличения, таким образом, КУ в эмиттерные цепи каскадов следует включить элемент, сопротивление которого по постоянному току велико, а по переменному - мало. Таким элементом является стабилитрон, при включении которого необходимо, чтобы эмиттерный ток транзистора изменялся в пределах рабочего диапазона токов стабилитрона.

Схема двухкаскадного усилителя с использованием стабилитрона показана на рис. 2.1, б. Хотя КУ отдельных каскадов по-прежнему неодинаковы (R_к1 ≠ R_к2), их различие меньше, чем в усилителе, изображенном на рис. 2.1, б.

Для получения большого КУ в многокаскадном усилителе с непосредственной связью используют чередующиеся от каскада к каскаду транзисторы разного типа электропроводности (рис. 2.2). Такой усилитель называется комплементарным усилителем.

Рис. 2.2

Схемы с непосредственной связью на полевых транзисторах строят по такому же принципу, что и схемы на биполярных транзисторах. Согласование каскадов получают, исходя из требуемой амплитуды рабочего напряжения, вида характеристик полевого транзистора и напряжения питания.

В многокаскадных усилителях широко используются обратные связи, с помощью которых достигаются требуемые технические параметры. Для получения ООС в усилителе необходимо, чтобы суммарный фазовый сдвиг φ, вносимый усилителем и цепью ОС, был равен 180° во всем диапазоне рабочих частот. В многокаскадном усилителе это требование обычно выполняется, строго говоря, только на одной частоте. На остальных частотах, особенно на границах и за пределами полосы рабочих частот АЧХ, φ ≠ 180°. Это происходит за счет дополнительных фазовых сдвигов, вносимых реактивными элементами схемы усилителя, причем эти сдвиги будут тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей цепью ООС. При дополнительном фазовом сдвиге 180°, φ = 360° (баланс фаз), ООС превратится в ПОС, и, если BК >> 1 (баланс амплитуд), усилитель превратится в генератор.

Теоретически одно- и двухкаскадный усилитель с частотно-независимой ООС устойчив при любой глубине ОС, трехкаскадный - при F ≤ 9, однако практически, с учетом запаса по устойчивости и возможностью дополнительных фазовых сдвигов, рекомендуют брать F ≤ 5 для однокаскадного, F ≤ 4 для двух- и F ≤ 3 для трехкаскадного усилителя, охваченного общей ООС. Не рекомендуется охватывать общей ООС более трех каскадов, если же это необходимо, то возможно использование специальных корректирующих цепей.

Так как для различных каскадов многокаскадного усилителя обычно применяют один и тот же источник питания (рис. 2.3), то из-за наличия его внутреннего сопротивления Z_п в усилителе возникают паразитные (нежелательные) ОС. Переменная составляющая тока каскадов (преимущественно оконечного) создает на Z_п переменную составляющую ΔU, которая поступает в цепи питания предыдущих каскадов и тем самым замыкает сразу несколько петель паразитных ОС, что может привести к самовозбуждению.

Рис. 2.3

Самым эффективным и достаточно простым способом, исключающим сложных стабилизированных источников питания, является применение развязывающих (устраняющих ОС) фильтров, состоящих из R_ф и С_ф и включаемых последовательно или параллельно источнику питания (см. рис. 2.3). Номинал резистора R_ф определяется требуемым напряжением питания предварительных каскадов, которое, как правило, меньше, чем у оконечного. Кроме ослабления паразитных ОС, развязывающие фильтры одновременно сглаживают пульсации напряжения питания с частотой 50 и 100 Гц, если усилитель питается от сетевого выпрямителя.

Расчет многокаскадного усилителя производят, начиная с оконечного каскада к первому. Оконечный каскад рассчитывается по обеспечению требуемой мощности или тока (напряжения). Количество каскадов определяется общим КУ.

Порядок расчета многокаскадного усилителя рассмотрим на примере трехкаскадного усилителя низкой частоты (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Поскольку выходной каскад (каскад 3 на рис. 2.4) в многокаскадном усилителе представляет усилитель мощности, то он является основным потребителем энергии источников питания. Он должен работать в режиме класса АВ, обеспечивая высокий КПД. Комплементарные транзисторы Т₅ и Т₆ выбираются, исходя из допустимой мощности рассеяния на коллекторе P_кmax, и максимальной амплитуды коллекторного тока I_кmax.

Далее выбираются кремниевые диоды VD₁ и VD₂ из условия I_д≥(2¸3)I_б0, и источник питания E_п, а при необходимости - два разнополярных источника +E_п1 и -E_п2. Задаваясь нижней частотой АЧХ f_н, находится соответствующая емкость разделительного конденсатора С₄.

Для промежуточного каскадаусиления (каскад 2 на рис. 2.4) исходными для расчета данными будут входные параметры выходного каскада. Данный каскад представляет собой дифференциальный УК и для обеспечения требуемого усиления сигнала он должен работать в режиме класса B. Исходя из этого выбираются идентичные транзисторы Т₃ и Т₄ и емкость разделительного конденсатора С₃.

Входной усилительный каскад (каскад 1 на рис. 2.4) также представляет собой дифференциальный каскад. Выбор его обусловлен тем, что его входное сопротивление много больше, чем сопротивление источника сигнала, что позволяет без потерь передать сигнал от источника на вход следующего каскада, а также тем, что такой УК обеспечивает высокое усиление дифференциального входного сигнала, приложенного между входами каскада, и практически не усиливает (при большом значении R₅) синфазный сигнал, одинаковый на обоих входах. Расчет входного УК производится исходя из характеристик источника входного сигнала Е_г, и характеристик следующего каскада.

Литература:

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М: Высшая школа, 1991.

2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М: Додека-XXI, 2005.

3. Красько А.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебное пособие. – Томск: ТГУСУР, 2005.

4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М: Горячая Линия Телеком, 2007.

5. Павлов В.Н., Ногин И.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М: Горячая Линия Телеком, 2001.

Разработал: доцент кафедры РЛ1 Чепурнов И.А.