Модуль 1. Схемотехника элементов аналоговых электронных устройств
Лекция 5
МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Учебные вопросы:
1. Показатели многокаскадных усилителей.
2. Особенности построения и расчета многокаскадных усилителей.
Показатели многокаскадных усилителей
С помощью одиночного каскада трудно обеспечить желаемое усиление сигналов (обычно более 102), необходимые свойства усилительной схемы по ее входному или выходному сопротивлению, требуемые по условиям работы предельные значения выходных токов и напряжений. В связи с этим усилительные тракты приходится выполнять по многокаскадной схеме, включающей два и более последовательно соединенных каскадов.
В общей структуре многокаскадного усилительного тракта можно выделить три основных звена. Это входной каскад, один или несколько каскадов предварительного усиления, выходной или выходные каскады. На входной каскад помимо основной функции (функции усиления) возложена задача согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением усилительного тракта. Под согласованием здесь понимаются мероприятия по повышению коэффициента передачи входной цепи, которое достигается, в первую очередь, за счет использования во входном каскаде схемных конфигураций с повышенным входным сопротивлением. Так, включение на входе усилительного тракта дополнительного каскада с ОК (ОС) хотя и не приводит к повышению коэффициента усиления по напряжению самого тракта, но приближает значение коэффициента передачи входной цепи к его предельному значению, равному единице.
Во входном каскаде стремятся располагать и органы регулировки усиления, при этом цепи регулировки во избежание возможной перегрузки усилительного прибора сигналами большого уровня возможности располагают до его входных зажимов.
В ряде случаев к усилительному тракту предъявляется требование предельной чувствительности. При этом схемное и конструктивное выполнение входного каскада должно быть реализовано с учетом его малошумного построения, предполагающего использование основных схем включения усилительного прибора (включений с ОЭ (ОИ)), отказ от применения во входных каскадах ПТ с изолированным затвором.
Рис. 1.1
Основной функцией каскадов промежуточного усиления является обеспечение основного усиления по напряжению. Обычно эти каскады обладают большим усилением, в связи с чем при их организации особое внимание обращается на обеспечение устойчивой и стабильной работы.
Перечисленные каскады в многокаскадных усилителях соединяются между собой последовательно таким образом, чтобы выходной сигнал предыдущего каскада являлся входным сигналом последующего. Поэтому усилитель, состоящий, например, из двух каскадов, можно представить в виде эквивалентной схемы, изображенной на рис. 1.1.
В этом случае коэффициенты усиления (КУ) по напряжению первого и второго каскадов будут равны:
, 
.
Тогда коэффициент усиления всего усилителя равен:
Очевидно, для усилителя, составленного из n каскадов (рис. 1.2), имеем
Рис. 1.2
Часто КУ представляют в логарифмических единицах – децибелах. КУ по мощности, выраженный в децибелах,
Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения,
Представление коэффициента усиления в децибелах позволяет находить общий КУ усилителя простым алгебраическим суммированием коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для n -каскадного усилителя можно записать
или
Частотные искажения многокаскадного усилителя определяются частотными искажениями в отдельных каскадах.
Коэффициент частотных искажений отдельного каскада, характеризующий частотные искажения данного каскада определяется как отношение КУ на средней частоте к КУ на рассматриваемой частоте:
Тогда коэффициент частотных искажений п -каскадного усилителя можно записать как
или
Таким образом, коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов. Если коэффициенты частотных искажений выразить в децибелах, то для n-каскадного усилителя получим
Из вышеприведенных выражений следует, что к отдельным каскадам усилителя по частотным искажениям предъявляются более жесткие требования, чем к усилителю в целом, так как коэффициент частотных искажений отдельного каскада всегда меньше коэффициента частотных искажений усилителя.
Требуемое значение общего коэффициента частотных искажений М определяется назначением усилителя. Например, при усилении акустических сигналов значение коэффициента М не превышает √2, что соответствует 3 дБ. Для измерительных усилителей коэффициент частотных искажений определяется заданной точностью измерений.
Определим фазовый сдвиг φ между выходным и входным напряжениями n -каскадного усилителя, записав комплексный КУ по напряжению в виде
где φ1, φ2,.. φ n – фазовые сдвиги между выходным и входным напряжениями отдельных каскадов усилителя. Следовательно,
т.е. фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями многокаскадного усилителя равен алгебраической сумме фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами.
Нелинейные искажения синусоидального сигнала в многокаскадных усилителях, характеризуемые коэффициентом гармоник (КГ), можно оценить, просуммировав КГ каждого отдельного каскада усилителя, т.е.
Как известно, нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения U вх max, начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность. Следовательно, нелинейные искажения будут наибольшими в последнем, выходном, каскаде усилителя. Ориентировочно можно считать, что КГ n -каскадного усилителя равен КГ последнего каскада, т.е.
Для исключения влияния цепей постоянного тока отдельных каскадов друг на друга, т.е. обеспечения развязки каскадов по постоянному току, в усилителях переменного сигнала используют разделительный конденсатор или трансформатор. В аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) усилителей как постоянного, так и переменного тока используется, как правило, непосредственная связь между каскадами, так как реализация конденсаторов большой емкости и трансформаторов в микроэлектронном исполнении весьма затруднительна.
