Коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется как

Многокаскадного усилителя

Итак, усиление УРУ возрастает пропорционально числу активных элементов в отличие от обычных многокаскадных усилителей, для которых эта зависимость носит показательный характер. Поэтому в схеме УРУ можно получить усиление, большее единицы, даже в том случае, когда коэффициент усиления одиночного каскада Ko=SZE2 — меньше единицы.

Усилителями мощности обычно являются выходные (оконечные) каскады многокаскадных усилителей. Они работают в режимах, обеспечивающих получение максимально возможной мощности нагрузочного устройства.

Усилители мощности предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажения в низко-омную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение в нагрузке возможно большей мощности.

Работа многокаскадных усилителей имеет свои особенности, которые обусловлены в основном видом связи между каскадами, а также наличием других реактивных элементов как собственных (присущих самим транзисторам) , так и внешних, включаемых для нормального функционирования электрической схемы. Все это приводит к тому, что основные динамические показатели усилителя становятся зависимыми от частоты, т.е. приобретают комплексный характер:

Определение динамических показателей для многокаскадных усилителей.

Приведение результирующих формул (9.7) и (9.8) к универсальному виду существенно облегчает расчет динамических показателей многокаскадных усилителей. Важно отметить, что произведение Kj у. _/• +j\ физически представляет собой коэффициент усиления всего каскада по току.

Назначение элементов схемы. Типовыми блоками для построения многокаскадных усилителей являются транзисторные каскады, в которых биполярные транзисторы включаются с общим эмиттером, а полевые — с общим истоком ( 9.7). В обоих случаях каскады получают энергию от отдельных источников питания U ; усиленное напряжение сигнала снимается с нагрузочных Резисторов в цепях коллектора RK или стока RC.

При построении многокаскадных усилителей широко используют резистивно-емкостную связь, которая обеспечивает надежную развязку каскадов по постоянному току. Одна из типовых схем двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной связью приведена на 4.23.

Следует иметь в виду, что цепи коррекции верхних и нижних частот вносят дополнительные фазовые сдвиги, что снижает устойчивость многокаскадных усилителей против самовозбуждения.

При Включении транзистора по схеме с общим коллектором обыч-но Яи’ЭгЯнс, при этом можно пользоваться следующими приближенными формулами: /C=/i2i; Ки= 1; Kp^Ki’, /?вых= Rr/hi\. Процесс расчета многокаскадных усилителей ( 6.1.13) осуществляется покаскадно от последнего каскада к первому. В связи с наличием в сопротивлениях резисторов связи потерь мощности, передаваемой от одного транзистора к другому, коэффициенты усиления каскадов по току и мощности оказываются меньше рассчитываемых по формулам для однокаскадного усилителя. Коэффициенты усиления по напряжению остаются практически неизменными при правильно выбранном сопротивлении /?н и сопротивлении генератора сигнала Rr для каждого каскада.

Для реализации высоких значений коэффициента усиления используют последовательное включение нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей (содержащих я каскадов) общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

электрическая связь между каскадами реализуется при помощи конденсаторов, в усилителях постоянного тока — при помощи резисторов или непосредственных связей. В последнем случае любые изменения постоянного напряжения на выходе одного каскада из-за нестабильности параметров транзистора при действии дестабилизирующих факторов, обычно температуры, влияют на режим работы других каскадов, что приводит к изменению напряжения на выходе многокаскадного усилителя даже при отсутствии усиливаемого сигнала. Это явление называется дрейфом нуля. Для того чтобы уменьшить дрейф нуля, применяют дифференциальные усилители постоянного тока.

Возможность снижения постоянной времени у многокаскадного усилителя объясняется резким возрастанием общей добротности усилителя при неизменной добротности отдельных каскадов, поскольку общий коэффициент усиления равен произведению, а общая постоянная времени — сумме постоянных времени отдельных каскадов:

Расчет шумов каскадно соединенных четырехполюсников (многокаскадного усилителя) сводится к расчету общего уровня шумов входной цепи и первого каскада усилителя, приведенного к ЭДС источника сигнала. Первый каскад обычно работает в малошумящем режиме, а второй и другие каскады в обычном режиме.

Связь между каскадами осуществляется с помощью конденсатора ( 5-14, а) или трансформатора ( 5-14, б). Сопротивление гс ^ 0,2 •*- 1 Мом в схеме 5-14, а (сопротивление утечки) служит для того, чтобы электроны, попадающие на сетку второго триода, возвращались к катоду. Ввиду наличия емкостной или индуктивной связи между каскадами коэффициент усиления многокаскадного усилителя даже при активной нагрузке получается комплексным.

рассчитывать каскады многокаскадного усилителя, необходимо распределить между ними все виды искажений, определить их коэффициенты усиления и полосы пропускания. Если полученные значения представляются достижимыми, то можно переходить к расчету функциональных элементов.

Расчет многокаскадного усилителя начинают [3] с определения числа каскадов и их основных параметров.

При каскадном соединении усилителей общий коэффициент .усиления возрастает, но увеличиваются и коэффициенты частотных искажений, т. е. полоса пропускания многокаскадного усилителя всегда уже полосы пропускания каждого из простейших усилителей. Для усилителей с конденсаторной связью полоса пропускания обычно лежит в пределах от 20 — 100 Гц до 150 — 500 кГц.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя

5.2. Структурная схема многокаскадного усилителя

Способы соединения (связи) каскадов зависят от вида многокаскадного усилителя. Так, в усилителях постоянного тока вход последующего каскада подсоединяют к выходу предыдущего каскада непосредственно или с помощью резисторов. Такие усилители называют усилителями с непосредственной или резистивной связью.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Многокаскадные усилители

В условиях практики приходится иметь дело с многокаскадными усилителями , так как один каскад обычно не обеспечивает необходимого усиления входного сигнала. При последовательном соединении отдельных каскадов изменяются параметры каждого из них и всего усилителя в целом. При осуществлении многокаскадных усилителей иногда между двумя каскадами, собранными по схеме с общим эмиттером, включают каскад с общим коллектором, который имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления.

Такое мероприятие дает возможность увеличить сопротивление нагрузки для первого каскада и уменьшить сопротивление источника сигнала для второго каскада, собранных по схеме с общим эмиттером. Усиление в этом случае оказывается более высоким, чем при непосредственном соединении двух каскадов с общим эмиттером, но меньшим чем при использовании каскадов усиления, каждый из которых собран по схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим схему двухкаскадного усилителя с RC-связью. При этом наиболее выгодным является включение всех транзисторов по схеме с общим эмиттером, так как в каждом каскаде меньше различие между входным и выходным сопротивлениями и в целом обеспечивается наибольшее усиление по мощности.

На рис. 187, а, б приведены соответственно электрическая схема двухкаскадного усилителя и его эквивалентная схема в области средних частот. Элементы схемы и параметры, относящиеся к транзистору Т 1 , обозначены одним штрихом, а к транзистору Т 2 — двумя штрихами.

Рис. 187. Схема двухкаскадного усилителя низкой частоты на транзисторах с непосредственной связью между каскадами (а) и его эквивалентная схема (б); эквивалентная схема усилителя с трансформаторной связью (в).

Из эквивалентной схемы видно, что сопротивлением нагрузки R» н транзистора Т 2 является параллельное соединение R» к и R н , а транзистор Т 1 нагружен на сопротивление R’ н , образованное параллельным соединением сопротивлений R’ к , R» 1 ,R’ 2 и R вх . Воспользовавшись формулами, приведенными здесь , можно рассчитать:

а) входные сопротивления первого и второго каскадов

б) коэффициенты усиления по току первого и второго каскадов

Коэффициент усиления по току всего усилителя

Так как произведение h 22 R н много меньше единицы, то приближенно можно считать

К iус ≈ h’ 21 ≈ h» 21 .

Общее усиление по току будет значительно большим, чем у одиночного каскада, так как h 21 в большинстве случаев больше 20. К подобному же выводу можно прийти, анализируя выражения для коэффициентов усиления по напряжению и по мощности:

Коэффициент усиления по мощности в двухкаскадном усилителе получается примерно в два раза больше, чем у одиночного каскада.

Наиболее выгодный режим работы многокаскадного усилителя можно обеспечить при согласовании усилителя как со стороны входа, так и со стороны выхода. Для этого должны быть известны его входное и выходное сопротивления.

Входное сопротивление рассматриваемого двухкаскадного усилителя представляет собой параллельное соединение сопротивлений делителя /R’ 1 , R’ 2 и входного сопротивления R’ вх . Выходное сопротивление усилителя можно рассчитать по формуле

где R» вых — выходное сопротивление транзистора T 2 , определяемое формулой

где R» г — сопротивление источника сигнала второго транзистора, представляющее собой параллельное соединение сопротивлений R’ к , R» 1 , R» 2 , R’ вых .

Выходное сопротивление первого транзистора R’ вых определяется формулой

где R’ г — сопротивление источника сигнала первого транзистора, представляющее собой параллельное соединение сопротивлений R г , R’ 1 , R’ 2 .

Общий коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен

K р (дб) = 10 lg K’ р +10 lgK» р

Таким образом, схемы многокаскадных усилителей с RC-связью, выполненные по схеме с общими эмиттерами, имеют большой коэффициент усиления по мощности (в действительности величина К р будет несколько меньше, так как при расчете не учитывались потери мощности на сопротивлениях R» к , R’ к и в цепях связи между транзисторами). Эти усилители не требуют применения специальных мер согласования сопротивления нагрузки со входом следующего каскада и поэтому нашли широкое распространение.

Частотные искажения в области нижних частот зависят от индуктивности первичной обмотки, которая прямо пропорциональна сечению сердечника и обратно пропорциональна толщине воздушного зазора. При малом сечении сердечника трансформатора для получения большей индуктивности L 1 приходится уменьшать воздушный зазор, что приводит к опасности насыщения сердечника даже небольшими токами. Поэтому постоянный ток в первичной обмотке должен быть по возможности малым.

На форму частотной характеристики в области верхних частот оказывает влияние главным образом выходная емкость транзистора; индуктивность же рассеяния и междувитковая емкость обмоток трансформатора вызывают частотные искажения лишь в области самых верхних частот. Такие трансформаторы имеют равномерную стотиую характеристику вплоть до 30—35 кгц.

На рис. 187, в приведена схема двухкаскадного усилителя с трансформаторной связью. Для получения максимального усиления по мощности внутреннее сопротивление источника сигнала R г должно быть равно полному входному сопротивлению транзистора Т 1 , к выходу которого подсоединено сопротивление нагрузки R н , равное полному выходному сопротивлению транзистора:

Решив два последних уравнения совместно, получим; для входного характеристического сопротивления:

для выходного характеристического сопротивления

Коэффициент трансформации входного трансформатора равен

Коэффициент трансформации выходного трансформатора равен

Коэффициент трансформации промежуточного трансформатора

К. п. д. трансформаторов можно считать равными единице и при расчете не учитывать.

Максимальный коэффициент усиления по мощности при полном согласовании рассчитывается по формуле

При включении транзисторов по схеме с общей базой выходная емкость С вых составляет обычно десятки пикофарад. При включении по схеме с общим эмиттером эта емкость может доходить до нескольких тысяч пикофарад.

Наибольшая верхняя частота, при которой усиление одной усилительной ступени падает на 3 дб из-за влияния емкости транзистора, рассчитывается по формуле

ПОКАЗАТЕЛИ МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ирисбоев Фарход Боймирзаевич, Эшонкулов Алмурод Ахмад Угли, Исломов Мухаммад Хусниддин Угли

В статье рассмотрено использование усилителей, каскадный усилитель, каскадно- токовое взаимодействие , температурный шум , транзисторный шум. В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INDICATORS OF MULTI-STAGE AMPLIFIERS

The article discusses the use of amplifiers, cascade amplifier, cascade-current interaction, thermal noise, transistor noise. In most cases, single cascades do not provide the necessary amplification and the specified amplifier parameters. Therefore, amplifiers that are used in communication equipment and measuring technology are multi-stage. When analyzing and calculating a multistage amplifier, it is necessary to determine the overall gain of the amplifier, the distortions introduced by it, distribute them among the cascades, determine the requirements for sources, solve the issues of introducing feedback, etc.

Текст научной работы на тему «ПОКАЗАТЕЛИ МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ»

СТАТЬИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

ПОКАЗАТЕЛИ МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Ирисбоев Фарход Боймирзаевич

Джизакский политехнический институт, Республика Узбекистан, г. Джизак E-mail: kirenakirka.fr@inbox. ru

Эшонкулов Алмурод Ахмад угли

Джизакский политехнический институт, Республика Узбекистан, г. Джизак

Исломов Мухаммад Хусниддин угли

Джизакский политехнический институт, Республика Узбекистан, г. Джизак

INDICATORS OF MULTI-STAGE AMPLIFIERS

Jizzakh Polytechnic Institute, Republic of Uzbekistan, Jizzakh

В статье рассмотрено использование усилителей, каскадный усилитель, каскадно- токовое взаимодействие, температурный шум , транзисторный шум. В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

Библиографическое описание: Ирисбоев Ф.Б., Эшонкулов А.А., Исломов М.Х. ПОКАЗАТЕЛИ МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 11(104). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14546

Ключевые слова: коэффициент усиления, выходные и входные сигналы отдельных каскадов, коэффициент частотных искажений, токовое взаимодействие.

Keywords: gain factor, output and input signals of individual stages, frequency distortion factor, current interaction.

В зависимости от области применения усилителей коэффициент усиления может достигать нескольких десятков тысяч. Усилители с коэффициентом усиления более 10 2 строятся на простом усилителе с несколькими элементами усиления. Такие простые усилители называются многокаскадными усилителями. Они создаются путем последовательного соединения нескольких простых усилителей, причем выходной сигнал предыдущего каскада является входным сигналом следующего каскада. Эквивалентная схема двухкаскадного усилителя показана на рис. 1.

Кщ = исК1 /Еэ; Ки2 = исЬ2/исЬ1

В этом случае полный коэффициент усиления двухкаскадного усилителя определяется следующим выражением [1,2].

К ты 0,5 1 2 10 100 1000

K и дБ -6 0 6 20 40 60

Само собой разумеется, что общий коэффициент усиления п каскадного усилителя равен произведению коэффициентов отдельных усилителей.

В большинстве случаев коэффициент усиления дается в логарифмических единицах — децибелах.

Выражение коэффициента усиления мощности в децибелах выглядит следующим образом.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, выражение коэффициента усиления напряжения в децибелах К лЪ = 201дК можно за-

Удобство выражения коэффициента усиления в децибелах состоит в том, что общий коэффициент усиления усилителя в децибелах может быть выражен в алгебраической форме коэффициентов усиления некоторых каскадов [3,4].

КШ1ь =201дКи = 201д Ки1 + 20^ Ки2 +— + 201ё Кип

Рисунок 1. Схема усиления мощности

В таблице 1 ниже приведены соответствующие значения коэффициента усиления в децибелах, выраженные простыми числами.

Значения коэффициента усиления в децибелах, выраженные простыми числами

Много__каскадный в усилителях частота поломки отдельно каскады частота поломки с определяется. Серьезно н каскадный усилителя частота расстройства коэффициент следующим образом написать можно

KUf KuflKuf2 . К

частотные искажения отдельных каскадов равны Мх = К^/К^ ■ М2 = Кцо2/КиГ2 — м„ = кцо„/киГ„, то имеем следующее.

Таким образом, коэффициент искажения частоты многокаскадного усилителя складывается из произведения коэффициента искажения частоты некоторых каскадов [5, 6].

Если коэффициент искажения частоты выразить в децибелах, то искажение частоты п-каскадного усилителя складывается из суммы искажений частот некоторых каскадов.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Mdb=Mldb + M2db+- + Mndb.

Из последнего выражения видно, что имеется большой спрос на частотные искажения по отношению к некоторым каскадам усилителя. Это требование более строгое, чем коэффициент полночастотных искажений усилителя, поскольку частотные искажения некоторых каскадов всегда меньше коэффициента полночастотных искажений [7, 8].

Необходимый коэффициент частотных искажений выбирается в зависимости от назначения усилителя. Например: в усилителе, усиливающем акустические сигналы, М = >¡2 это соответствует 3 дБ.

В измерительных усилителях коэффициент частотных искажений определяется с определенной точностью. Сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями в многокаскадном усилителе можно определить, используя комплексное выражение для коэффициента усиления.

где ф 1 , ф 2 , Ф н — фазовые сдвиги между выходным и входным сигналами отдельных каскадов, а фазовые сдвиги входа и выхода общего усилителя можно записать в виде алгебраической суммы фазовых сдвигов отдельных каскадов .

В многокаскадных усилителях нелинейные искажения, возникающие в синусоидальном сигнале, связаны с коэффициентом гармоник, т. е. сумма коэффициентов нелинейных искажений в некоторых каскадах равна полному коэффициенту нелинейных искажений усилителя [9, 10].

Как было сказано выше, нелинейные искажения возникают, когда амплитуда входного сигнала достигает определенного порогового значения, и его амплитудное описание меняется с линейного на нелинейное. Наибольшие нелинейные искажения возникают в оконечном каскаде усилителя. Соответственно, коэффициент нелинейных искажений п-каскадного усилителя определяется коэффициентом искажений последнего каскада.

Разделительные конденсаторы или трансформаторы используются для исключения взаимодействия отдельных каскадов по току. С помощью трансформатора можно установить не только разделение по току, но и совместимость каскадов.

Шумы в усилителях

При подаче на вход усилителя очень малого сигнала необходимо учитывать мешающие сигналы, появляющиеся на его выходе. Эти сигналы присутствуют при отсутствии входного сигнала, даже если вход закорочен [11,12]. Такие помехи называются внутренними помехами и делятся на следующие виды.

1. Температурные помехи — такие помехи возникают из-за хаотического движения носителей заряда в резисторах.

2. Шумы транзисторов — основной составляющей таких шумов являются тепловые шумы, заряды внутри базы обусловлены балансом процессов рекомбинации и генерации, которые формируют токи утечки на поверхности р-п перехода. Шумовая характеристика усилителя связана с шумовым коэффициентом БвИ . Этот коэффициент определяется отношением полезного сигнала Р вх и мощности шума Р ш.с на входе усилителя, а на выходе усилителя отношением мощности полезного сигнала Р ч

и мощности шума Р ш.аут .

Pkr /Psh.kr Pch/Psh.kr

если принять во внимание коэффициент усиления мощности К р , коэффициент шума можно записать следующим образом.

Предположим, что усилитель не имеет внутренних шумов, то есть усилитель идеален по шумовым характеристикам, тогда отношение сигнал/шум мощности на входе и выходе усилителя одинаково, а шумовой коэффициент таких идеальный усилитель равен 1. Ф ш =1

р Fsh Fkr/Fsh.kr j ^Fkr/Fsh.kA

Рсh /Psh kr Pc h /Psh.kr *

последнее выражение Ркг/РзЬ Ьг = (Ркг/РзК.кг)^,

можно определить коэффициент шума следующим образом [13, 14].

Таким образом, с помощью коэффициента шума можно определить, насколько отношение сигнал/шум выходной мощности идеального усилителя меньше, чем у реального усилителя.

1. Mustofoqulov J.A., Hamzaev A.I., & Suyarova M.X. (2021). RLC ZANJIRINING MATEMATIK MODELI VA UNI «MULTISIM» DA HISOBLASH. Academic research in educational sciences, 2(11), 1615-1621.

2. Khuzhayorov B., Mustofoqulov J., Ibragimov G., Md Ali F., & Fayziev B. (2020). Solute Transport in the Element of Fractured Porous Medium with an Inhomogeneous Porous Block. Symmetry, 12(6), 1028.

3. Иняминов Ю.А., Хамзаев А.И. У., & Абдиев Х.Э. У. (2021). Передающее устройство асинхронно-циклической системы. Scientific progress, 2(6), 204-207.

4. Суярова М.Х., & Джураева Н.М. (2018). Динамическая модель по электротехнике. In Передовые научно -технические и социально-гуманитарные проекты в современной науке (pp. 53-54).

5. Каршибоев Ш.А., & Муртазин Э.Р. (2021). Изменения в цифровой коммуникации во время глобальной пандемии COVID-19. Молодой ученый, (21), 90-92.

6. Yuldashev F.M. О. (2021). TA’LIMNING INNOVATSION TEXNALOGIYALARI ASOSIDA MUQOBIL ENERGIYA MANBALARI (QUYOSH VA SHAMOL ENERGETIKASI) MUTAXASSISLARINI TAYYORLASHDA O’QITISH SAMARADORLIGINI OSHIRISH. Academic research in educational sciences, 2(11), 86-90.

7. Раббимов Э.А., Жураева Н.М., & Ахмаджонова У.Т. (2020). Исследование свойства поверхности монокристалла и создание наноразмерных структур на основе MgO для приборов электронной техники. Экономика и социум, (6-2), 190-192.

8. Yuldashev F., & Bobur U. (2020). Types of Electrical Machine Current Converters. International Journal of Engineering and Information Systems (IJEAIS) ISSN, 162-164.

9. Бабанов Д.Т., & Иняминов Ю.А. (2020). ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЛОЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ. Символ науки, (11), 9-13.

10. Сохибов Б.О., Саттаров С., & Таганова С.Х. (2018). ВНЕДРЕНИЕ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ПЕРЕДОВЫХ МЕТОДОВ ПЕДАГОГОВ-НОВАТОРОВ. In Молодой исследователь: вызовы и перспективы (pp. 17-22).

11. Mustofoqulov J.A., & Bobonov D.T. L. (2021). «MAPLE» DA SO’NUVCHI ELEKTROMAGNIT TEBRANISH-LARNING MATEMATIK TAHLILI. Academic research in educational sciences, 2(10), 374-379.

12. Муртазин Э.Р., Сиддиков М.Ю., & Цой М.П. (2018). Стратегия развития экономики Узбекистана-региональные особенности. In Региональные проблемы преобразования экономики: интеграционные процессы и механизмы формирования и социально-экономическая политика региона (pp. 85-87).

13. Sattarov S., Khamdamov B., & Taylanov N. (2014). Diffusion regime of the magnetic flux penetration in high-temperature superconductors. Uzbekiston Fizika Zhurnali, 16(6), 449-453.

14. Умирзаков Б.Е., Содикжанов Ж.Ш., Ташмухамедова Д.А., Абдувайитов А.А., & Раббимов Э.А. (2021). Влияние адсорбции атомов Ba на состав, эмиссионные и оптические свойства монокристаллов CdS. Письма в Журнал технической физики, 47(12), 3-5.

2.5.5 Многокаскадные усилители

Как правило, коэффициент усиления одиночного транзисторного каскада не превышает нескольких десятков. Поэтому в случае необходимости получения больших значений коэффициента используют многокаскадные усилители (МКУ), построенные путем последовательного соединения нескольких одиночных каскадов. При таком соединении встает проблема согласования входных и выходных сигналов различных каскадов как по переменному, так и по постоянному току.

Ранее отмечалось, что усилительные устройства могут классифицироваться, в частности, по виду межкаскадных связей. При этом были выделены две группы усилителей: усилители переменного тока и усилители постоянного тока.

К первой группе относятся усилители с трансформаторными и RС — связями.

Вторую группу в основном представляют усилители с гальваническими связями. Между отдельными каскадами усилителя осуществляется так называемая гальваническая связь: связь посредством элементов, обеспечивающих двустороннюю передачу сколь угодно медленных изменений сигнала (напряжения или тока). В частном случае при отсутствии каких-либо дополнительных элементов гальваническая связь превращается в непосредственную.

Особенностью усилителей первой группы является отсутствие связи по постоянному току между отдельными каскадами. Ввиду этого в каждом отдельном каскаде можно установить оптимальный режим работы по постоянному току, например, с точки зрения коэффициента усиления или вносимых искажений.

Однако если в этих усилителях входной сигнал кроме переменной содержит и постоянную составляющую, то после усиления информация о постоянной составляющей будет потеряна.

В усилителях с гальваническими связями необходимо заботиться о согласовании сигналов как по постоянному, так и по переменному току. Это накладывает определенные ограничения на выбор режимов работы транзисторов и в большинстве случаев существенно затрудняет проектирование усилителя.

Теоретически в составе МКУ может быть любое число каскадов, но на практике используются только от двух до четырех. Они могут выполняться по одинаковой схеме (обычно с общим эмиттером), однако чаще в силу некоторых обстоятельств выполняются по разным схемам (например, общий коллекторобщий эмиттер). Нелинейные искажения обычно определяются последним каскадом, так как на его вход подается наибольшая амплитуда сигнала. Шумовые свойства, как правило, определяются первым каскадом, поскольку здесь амплитуда входного сигнала незначительна и может быть сравнима с напряжением шумов.

В МКУ существенной оказывается паразитная связь через источник питания, внутреннее сопротивление которого является общим нагрузочным сопротивлением для всех каскадов.

При трех и более каскадах эта связь может привести к самовозбуждению усилителя. Для устранения этой опасности применяют следующие меры:

увеличение емкости выходного конденсатора сглаживающего фильтра питания;
введение в выпрямитель электронного стабилизатора напряжения с низким выходным сопротивлением;
устройство двух- или трехсекционного сглаживающего фильтра с питанием выходного и предварительных каскадов усилителя от различных секций;
применение дополнительных развязывающих цепочек RфСф в каждом каскаде, кроме последних одного-двух.

Рисунок 6.26 – Прниципиальная схема двухкаскадного усилителя с непосредственной связью

В обычных схемах с транзисторами одинаковой структуры непосредственную связь чаще всего осуществляют только между двумя соседними каскадами. Простейшая схема такого усилителя показана на рисунке 6.26.

Связь с соседними каскадами осуществляется с помощью разделительного конденсатора или трансформатора. Назначение элементов такое же, как и в ранее рассмотренной схеме с общим эмиттером. Однако здесь для второго каскада роль базового делителя выполняют резистор R_K₁ и цепочка R_Э1–R_V_Т1.СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ Статический режим первого каскада не отличается от ранее изученной схемы с ОЭ. Для второго каскада он будет несколько другим (цепи протекания токов по постоянной составляющей):

ток базы I_Б2:

+Ек корпус  R_Э2 эмиттер-база VТ₂  R_к1  Rф  -Ек;

ток коллектора I_К2:

+Ек  корпус  R_Э2  эмиттер-база-коллектор VТ₂  R_К2  -Ек;

ток делителя I_д2:

+Ек  корпус  R_Э1  эмиттер-база-коллектор VТ₁  R_К1  Rф-Ек; Смещение на переходе база-эмиттер транзистора VТ₁ определяется следующим образом: U_БЭ1 = U_R_БЭ2 – U_R_Э1. Смещение на переходе база-эмиттер транзистора VT₂ равно: U_БЭ2 = U_дел2 – U_RЭ2= (U_R_Э1 + U_ЭК_V_Т1) – U_R_Э2. Если предположить, что VT_l и VT₂ работают в одинаковых режимах (например, при U_БЭ = 0,2 В и U_K_Э = 3 В), то нетрудно убедиться, что для питания второго каскада требуется более высокое постоянное напряжение за счет вынужденного увеличения напряжения на R_Э2, так как R₃₂ > R_Э1.- При наличии третьего каскада потребовалось бы еще большее увеличение Е_к, поскольку U_БЭЗ = (U_R_Э2 + U_Э_K_V_Т2) – U_R_Э3. В численном выражении U_R_Э3 = (5,8 + 3) — 0,2 = 8,6 В. Таким образом, в нашем примере: U_R_Э3 = 3 В; U_R_Э2= 5,8 В; U_R_Э3 = 8,6 В. Видно, что с увеличением числа каскадов требуется увеличивать напряжение источника питания Ек. Этот факт является недостатком усилителей с непосредственными связями на однотипных транзисторах. В случае, если напряжение Е_к оказывается недостаточным, применяют схемы на транзисторах с различным типом проводимости, которые включаются поочередно друг за другом. Хотя здесь и не требуется увеличения напряжения источника питания (берется как для одного каскада), однако с точки зрения эксплуатации и изготовления это нежелательно из-за увеличения разнотипности деталей. Поэтому такая мера используется лишь в крайних случаях. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ Пусть статический режим обеспечен и к зажимам 1-1′ приложено напряжение сигнала . Это напряжение через С_Э1 прикладывается к участку база-эмиттер VT₁и вызывает пульсации тока базы, который в свою очередь вызывает пульсации тока коллектора. Таким образом, в составе тока Iк появляется переменная составляющая, источником которой является транзистор VT. Цель протекания переменной составляющей коллекторного тока (рисунок 6.26): коллектор VТ₁Ток базы транзистора VT₂ становится пульсирующим и вызывает пульсации коллекторного тока Iк транзистора VT₂, то есть происходит управление транзистором VT₂. В коллекторном токе I_К2 появляется переменная составляющая, которая протекает по цепи: коллектор VТ₂СТАБИЛИЗАЦИЯ СТАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА Покажем динамику стабилизации статического режима на примере вышеприведенной схемы (рисунок 6.27). Опишем процессы только во втором каскаде, поскольку стабилизация первого не отличается от ранее рассмотренной схемы с общим эмиттером.

Рисунок 6.27 – Параллельная ООС по постоянному току Пусть увеличилась температура. Тогда уменьшится сопротивление R_V_Т1, следовательно, уменьшится также сопротивление (R_V_Т1 + R_Э1) значит, уменьшится (U_кэ1 + U_R_Э1). В результате: U_ЪЭ2  = (U_K_Э_l + U_R_Э1 )  — U_R_Э2  => I_K₂   const, то есть второй каскад стабилизируется лучше, чем первый. Стабилизация второго каскада еще больше улучшится, если учесть, что здесь R_Э2 > R_Э1.

На практике для улучшения стабилизации статического режима усилителей с непосредственными связями широко используется межкаскадная ООС по постоянному току. Реализации межкаскадной ООС по постоянному току достаточно разнообразны. Однако суть их в упрощенном варианте можно свести к двум схемам: параллельная ООС по постоянному току (рисунок 6.27.) и последовательная ООС по постоянному напряжению (рисунок 6.28). Для рисунка 6.27 действие цепи ООС можно объяснить следующим образом. Пусть температура увеличилась, что влечет за собой уменьшение сопротивления обоих транзисторов и увеличение их коллекторных токов (I_k₁, I_к2). Поскольку ток базы I_Б1 транзистора VT₁ протекает по цепи: корпус  R_Э1  эмиттер-база VТ₁ Rос  эмиттер – база VТ₂  …  -Ек, то он увеличится более существенно благодаря уменьшению сопротивления транзистора VT₂.

Рисунок 6.28 – Последовательная ООС по постоянному напряжению В результате транзистор VT₁ откроется сильнее, напряжение U_{к1 — корпус} резко уменьшится, а это приведет к такому же уменьшению тока базы VT₂. Как следствие, уменьшится ток I_К2 транзистора VT₂. Затем уменьшится и коллекторный ток транзистора VT_l. Таким образом, осуществляется стабилизация коллекторных токов транзисторов VT₁ и VT₂. Аналогично можно объяснить стабилизацию статического режима для схемы на рисунке 6.28.

Проблема инвертирования фазы сигнала. Необходимо такое включение цепи ОС, чтобы напряжение с выхода поступало на вход в противофазе с сигналом.

Обеспечение устойчивости МКУ. Для обеспечения устойчивости при глубокой ОС, особенно при широкой полосе частот, используются различные приемы, в том числе и корректирующие цепи.

Рисунок 6.29 – Общая последовательность ООС по напряжению Как видно, в первом каскаде осуществлена местная ООС. Глубина ООС определяется резисторами R_oc и R_ос1. Она тем больше, чем меньше R_oc и чем больше R_ос1. На рисунке 6.30 показан другой вариант осуществления ООС в двухкаскадном усилителе. Поскольку напряжение на R_oc₂ находится в фазе с напряжением на коллекторе транзистора VT_lt а оно, в свою очередь, — в противофазе с входным, то цепь ОС подключается к базе транзистора VT_t. Таким образом осуществляется параллельная ООС по току. Глубина ОС определяется резисторами R_OC₁ и R_oc₂ , причем она тем глубже, чем меньше R₀_C_] и чем больше R_о_c₂. Из схемы видно, что во втором каскаде осуществлена также местная ООС.

Рисунок 6.30 – Общая параллельная ООС по току Следует иметь в виду, что рассмотренные выше обратные связи способствуют изменению входного и выходного сопротивлений, но только в одном, свойственном данному виду связи, направлении. Так, в схеме на рисунке 6.29 увеличивается Rвх и уменьшается Rвых, а в схеме на рисунке 6.30 уменьшается R_BX и увеличивается R_Bba. Степень вносимого изменения оказывается тем заметнее, чем больше глубина ОС. Кроме того, величина входного и выходного сопротивлений получается зависимой от многих показателей усилителя, в частности от его собственных сопротивлений и усилительных свойств. И наконец, у подобных устройств изменение внешних сопротивлений на входе и выходе (источник сигнала и нагрузка) сказывается на величине глубины ОС.

Коэффициент усиления и коэффициент частотных искажений МКУ равен произведению коэффициентов усиления или коэффициентов частотных искажений всех каскадов.

Нелинейные искажения МКУ в основном определяются нелинейностью усилительного элемента оконечного каскада.

Применение ООС по току и по напряжению существенно влияет на параметры усилителя. Изменяются входное и выходное сопротивления, улучшаются частотные свойства, стабилизируется коэффициент усиления. Однако при этом R_BX и R_BblK каскада, как правило, зависят от сопротивления нагрузки, источника сигнала и коэффициента усиления усилительного элемента. Поэтому для обеспечения независимости от этих факторов применяют комбинированную ОС.

Для стабилизации режима работы МКУ с непосредственной связью используют ООС по постоянному току.

Формирование АЧХ обеспечивается включением соответствующих корректирующих элементов.

Самовозбуждение МКУ может возникнуть за счет паразитных ОС. Из них наиболее опасными являются паразитные ОС через общий источник питания, где для их устранения применяются развязывающие фильтры в цепях питания усилительных элементов.

Как определить общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя?

Каким образом учитываются коэффициенты частотных искажений и углы сдвига фаз, вносимые отдельными каскадами, в многокаскадном усилителе?

В чем отличие стабилизации статического режима во втором каскаде (последующем) от стабилизации в первом каскаде?

Покажите цепи протекания постоянной и переменной составляющей токов в различных каскадах многокаскадного усилителя.

Что называют самовозбуждением или потерей устойчивости усилителя? При каких условиях возникает самовозбуждение усилителя?

Может ли усилитель с отрицательной обратной связью потерять устойчивость?

Какие меры применяют для обеспечения устойчивости усилителя с отрицательной обратной связью?

Похожие публикации:

Как заряжать ноутбук в машине 24 вольта

Как из меандра сделать синусоиду

Как изменится накал ламп если осветить фоторезистор

Как сделать контрольку из лампочки