Большая Энциклопедия Нефти и Газа
При расчете коэффициентов усиления многокаскадных усилителей с емкостной связью надо иметь в виду, что в этом случае каскад усиления может быть представлен схемой рис. 3 — 8, а. Коэффициент усиления по мощности такого каскада должен учитывать дополнительный коэффициент передачи между сопротивлением нагрузки предыдущей ступени ( сопротивлением генератора сигнала в случае входного каскада) и приведенной величиной сопротивления делителя в цепи базы транзистора. [14]
Для оценки коэффициента усиления многокаскадного усилителя наиболее целесообразно пользоваться коэффициентом усиления по току Kt, который обычно почти не зависит от сопротивления нагрузки. [15]
1. Многокаскадный усилитель
Для получения высоких значений коэффициента усиления переходят от однокаскадного усилителя к многокаскадному, в котором каскады включаются последовательно. Структурная схема такого усилителя представлена на рис.2.14.
Рисунок 2.14. Структурная схема многокаскадного усилителя
Если потери между каскадами отсутствуют, то напряжение на выходе каждого предыдущего каскада равно напряжению на входе последующего каскада. Это позволяет записать для усилителя, состоящего из Nкаскадов, соотношение для коэффициента усиления
К
=
=
·
···
=
= К
· К
··· К
. (2.21)
Таким образом, коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов.
Усиление сигнала в усилителе должно осуществляться без его искажения, но одновременно при высоком коэффициенте полезного действия. Такие требования на одном каскаде не обеспечиваются. Дело в том, что качественное воспроизведение сигнала реально достигается лишь при небольшой амплитуде отклонения рабочей точки на выходной характеристике транзистора от точки покоя. Но при этом величина КПД не превышает нескольких процентов. Одновременное обеспечение высокого КПД и усиление сигнала без существенного его искажения возможно получить в многокаскадном усилителе, поскольку в этом случае можно обеспечить разделение функций: в начальных маломощных каскадах достигается качественное воспроизведение сигнала с высоким усилением сигнала, а в конечных каскадах – высокий КПД, но при малых коэффициентах усиления.
Рассмотренная в предыдущем разделе схема (рис. 2.3) используется в качестве начальных каскадов многокаскадных усилителей. А конечные каскады строятся с использованием иных схемных решений (см. разд. 2.10 и 2.11). В состав многокаскадного усилителя могут также вводиться каскады, выполняющие специальные функции. Схема такого каскада рассмотрена в разд. 2.9.
Многокаскадные усилители различаются по виду связей между каскадами. Эти связи могут быть емкостными, трансформаторными или непосредственными в зависимости от того, каким образом они осуществляются: через конденсатор, через трансформатор или непосредственно (кондуктивно). Например, многокаскадный усилитель, построенный из каскадов со схемами рис. 2.3, имеет конденсаторную связь, т.к. элементами связи являются разделительные конденсаторы. Недостатком емкостной связи является ограничение рабочего диапазона в области низких частот. Это ограничение проявляется в большей степени при увеличении числа конденсаторов в схеме усилителя. К недостаткам трансформаторной связи, кроме того, относятся большие массо-габаритные параметры и стоимость. Поэтому такая связь используется только в оконечных каскадах многокаскадных усилителей. Недостатки непосредственной связи будут обсуждены при анализе усилителей постоянного тока (разд. 2.15).
2. Эмиттерный повторитель
В эмиттерном повторителе транзистор включен по схеме ОК, как показано на рис. 2.15. Выходное напряжение снимается с резистора в эмиттерной цепи транзистора. Поэтому переменная составляющая эмиттерного тока должна протекать через резистор R
, что предполагает отсутствие в эмиттерной цепи конденсатора. Этим схема на рис. 2.15 отличается от схемы на рис. 2.3.
Рисунок 2.15. Схема эмиттерного повторителя
Выходное напряжение эмиттерного повторителя по величине практически равно входному. Действительно, согласно второму закону Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений контура, содержащего вход транзистора и резистор R
,
u 
= uБЭ + i 
R
= uБЭ + u вых ≈ u вых.(2.22)
Кроме того, фазы входного и выходного напряжений совпадают. Это определило название каскада.
Рисунок 2.16. Эквивалентная схема эмиттерного повторителя
для переменной составляющей тока
На рис. 2.16 приведена эквивалентная схема эмиттерного повторителя для переменных составляющих электрических параметров, которая позволяет провести оценку величин входного и выходного сопротивлений каскада.
Отсутствие в схеме эмиттерного повторителя конденсатора, шунтирующего резистор Rэ, изменяет величину входного сопротивления этого каскада по сравнению с величиной, определяемой соотношением (2.14), для каскада ОЭ. Однако этим соотношением можно воспользоваться для определения входного сопротивления эмиттерного повторителя, но с учетом того, чтоrвх является сопротивлением входной цепи транзистора, а не его входным сопротивлением. Согласно второго закона Кирхгофа для контура с входной цепью транзистора
rвх = 
=rБ + (1 + β) (rЭ +RЭ║RН). (2.23)
Тогда с учетом того, что rЭ << RЭ║RНиrБ << (1+β)RЭ║RН соотношение для входного сопротивления эмиттерного повторителя может быть записано в виде:
При наличии высокоомного делителя напряжения R1 — R2и величине параметраβ, которая обычно равна нескольким десяткам, величина входного сопротивления эмиттерного повторителя достигает нескольких десятков кОм.
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя согласно эквивалентной схеме рис. 2.16 с учетом большой величины сопротивления rк(э)определяется параллельным соединением сопротивленияRЭи цепи, содержащей сопротивленияrЭ,rБиR1║ R2║ RГ, гдеRГ— внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Сопротивление этой цепи равно:
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя.
Где Ки К.2, Кз — комплексные коэффициенты усиления первого, второго и третьего каскадов. На резонансной частоте когда коэффициент усиления является действительной величиной, модуль коэффициента усиления рассматриваемого усилителя
Модуль коэффициента в децибелах, вычисляемого логарифмированием выражения (9.10) по основанию десять 
Значение модуля результирующего нормированного коэффициента усиления:
где 7, = К:. (/) / Кю , а К) ф- коэффициент усиления /-го каскада на частоте /, Кю — коэффициент усиления /-го каскада на центральной (рабочей) частоте;
и результирующего коэффициента линейных искажений:
позволяют распространить полученные выражения для произвольного числа каскадов, в соответствие с выражениями (9.12), (9.13).
Используя выражения (9.11), (9.12) можно вычислить модуль результирующего коэффициента усиления усилителя для произвольной частоты входного сигнала, а суммарный фазовый сдвиг находится из соотношения: 
Многокаскадные усилители
В большинстве электронных устройств усиление, получаемое от усилителя с одним транзистором, оказывается недостаточным. Для увеличения коэффициента усиления применяют каскадное включение отдельных усилителей, как на рис. 2.8.1, при котором вход последующего каскада подключается к выходу предыдущего.
Рис. 2.8.1. Структурная схема многокаскадного усилителя
Результирующий коэффициент усиления многокаскадного усилителя (МУ) в линейном режиме равен произведению коэффициентов усиления отдельных усилительных каскадов. Последние определяются при учете входных и выходных сопротивлений каскадов в качестве соответствующих внутренних сопротивлений источников и сопротивлений нагрузки. Например, для трехкаскадного усилителя коэффициент усиления равен
Линейность МУ достигается согласованием динамических диапазонов амплитудных характеристик отдельных каскадов. При этом каждый последующий каскад имеет больший диапазон допустимых амплитуд входного напряжения и меньший коэффициент усиления. Наибольший коэффициент усиления часто бывает у первого каскада, где наименьшая амплитуда входного напряжения.
На рис. 2.8.2 представлен скриншот схемы двухкаскадного МУ с резистивно-емкостными связями и осциллограммы входного (1) и выходного (2) напряжений, полученные в программе EWB. На рис. 2.8.3 приведены осциллограммы входного и выходного напряжений первого каскада.
Рис. 2.8.2. Многокаскадный усилитель в программе схемотехнического моделирования EWB:
1 — входное напряжение; 2 — выходное напряжение
Рис. 2.8.3. Осциллограммы напряжений для первого каскада МУ:
1 — входное напряжение; 2 — выходное напряжение
Из осциллограмм следует, что UBX, = 1 мВ, (7вых1 = t/nx2 = 0,875 В и t/nb)X 2 = 2,8 В. Коэффициент усиления двух каскадов составляет Ки = = 2,8/0,001 = 2800, в первом каскаде Кт = 875/1 = 875, во втором каскаде Кт = 2,8/0,875 = 3,2, т.е. Kv = KmKw
В МУ максимальное значение коэффициента усиления ограничивается тепловыми шумами сигнала главным образом в первом каскаде.
В соответствие с формулой (2.8.1) АЧХ МУ, представленная на рис. 2.8.4, определяется произведением АЧХ всех каскадов в линейном масштабе (или суммой в логарифмическом масштабе).
По уровню 0,707Кмакс (т.е. 68,7 — 3 = 65,7 дБ) нижняя частота /и = 7,3 Гц, верхняя/в = 2,5 МГц. На средней частоте полосы пропускания каждый каскад имеет сдвиг фаз напряжений г/1ШХ(?) и ивх(?), равный 180°. Поэтому при четном количестве каскадов сдвиг фаз равен 360° (или 0°).
Рис. 2.8.4. АЧХ первого каскада (нижняя кривая) и МУ (EWB)
Каскадное соединение усилителей разных типов применяется также для поэтапного преобразования сигнала. Например, сигнал от источника малой мощности сначала усиливается в МУ усилителем напряжения, потом следующий каскад — избирательный усилитель, затем усилитель мощности готовит энергию для работы исполнительных механизмов.