Усилительный каскад. Типы межкаскадных связей

Минимальная часть усилителя, сохраняющая его функции, называется усилительным каскадом (УК). В состав УК входит усилительный элемент (УЭ), например транзистор, и относящиеся к нему пассивные элементы, обеспечивающие его работу.

Рассмотрим принцип электронного усиления на основе простейшей схемы УК (рис. 2.1, а). В состоянии покоя, когда на входе отсутствует сигнал, напряжение U_б равно U_см:

U_б = U_см,

а ток коллектора I_к и напряжение U_кэ в исходной РТ (ИРТ) равны:

I_к = I_к0, U_к = U_к0 = E_п – I_к0R_к.

Подадим входное переменное напряжение:

,

которое дополнительно открывает транзистор в первый полупериод и, частично закрывает его во второй (рис. 2.1, б).

а б

Рис. 2.1.

В результате I_к изменяется около значения I_к0 в ИРТ по закону синуса:

,

Мгновенное значение напряжения К-Э:

,

В первый полупериод U_к уменьшается из-за увеличения тока I_к и падения напряжения на R_к. Здесь R_к играет роль преобразователя тока в напряжение. При достаточно большом R_к оказывается U_mк > U_mвх, т.е. каскад дает усиление по напряжению.

Для получения большего усиления, УК соединяются между собой. Для исключения взаимного влияния УК друг на друга при передаче сигнала применяют различные типы межкаскадной связи.

Основные типы межкаскадных связей:

· непосредственная,

· резистивно-емкостная,

· трансформаторная.

Непосредственная связь. При непосредственной межкаскадной связи выходной электрод предыдущего каскада соединяется с входным электродом последующего непосредственно (рис. 2.2). Различают последовательную и параллельную непосредственную связь.

Рис. 2.2.

К достоинствам непосредственной межкаскадной связи следует отнести простоту ее реализации, отсутствие при ее использовании низкочастотных искажений, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе усилительного тракта в целом за счет охвата этого тракта общей петлей обратной связи (ОС). Недостатком, нарушающим нормальную работу усилителей, является дрейф нуля. Непосредственная связь широко используется в усилителях постоянного тока (УПТ) и в аналоговых микросхемах.

Резисторно-емкостная связь. При резисторно-емкостной связи применяется разделительный конденсатор С₁, который преграждает путь постоянной составляющей напряжения из выходной цепи на вход следующего каскада (рис. 2.3).

Рис. 2.3.

УК, соединенные такой связью свободны от недостатков каскадов с непосредственной связью, т.е. они не обладают дрейфом нуля, передаваемым на следующий каскад, и без затруднения позволяют обеспечить необходимые напряжения на усилительных элементах при питании многокаскадного усилителя от одного источника. Также, такие каскады обладают хорошей частотной характеристикой, имеют небольшие нелинейные искажения и находят широкое применение.

Конденсатор С является блокирующим для постоянного тока и конденсатором связи для переменного тока. Резистор R₃ является коллекторной нагрузкой первого каскада. Резистор R₄ является входной нагрузкой, а также замыкает по постоянному току цепь перехода база-эмиттер второго каскада.

Резисторно-емкостная связь используется, главным образом, в усилителях низкой частоты. Конденсатор связи С должен иметь низкое реактивное сопротивление для минимизации ослабления сигнала на низких частотах. Обычно используется емкость в пределах от 10 до 100 микрофарад. Конденсатор связи обычно бывает электролитическим.

Трансформаторная связь. При трансформаторной межкаскадной связи используется трансформатор (рис. 2.4). Через первичную обмотку трансформатора, включаемую в выходную цепь усилительного элемента, на выходной электрод подается напряжение питания, а ко вторичной присоединяют входную цепь следующего каскада. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на вход следующего каскада.

Рис. 2.4.

К достоинству связи этого типа следует отнести то, что при ее применении выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимизацию значения нагрузки усилительного прибора и тем самым реализовать возможность получения предельных значений сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку. В связи с этим трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора используется в оконечных каскадах усилителей мощности, где требуется получение больших сигнальных мощностей и высоких значений КПД.

Недостатком этого типа является то, что трансформаторы громоздки и дороги. Кроме того, усилитель с трансформаторной связью может использоваться только в узком диапазоне частот.