18.10. Многокаскадные усилители

Как правило, усилители состоят из нескольких каскадов, при этом каждый отдельный каскад в составе усилителя выполняет свои функции. На рис. 18.20, a приведена структурная схема многокаскадного усили­теля, а на рис. 18.20, б — реальная схема двухкаскадного усилителя с RC-связью (указаны только основные элементы). Входное устройство служит для передачи сигнала от источника во входную цепь каскада предварительного усиления. В качестве входного устройства могут быть использованы конденсаторы, резисторы, трансформаторы. Так, например, входными устройствами на рис. 18.20,б являются конденса­торы C₁ и С₂. Конденсатор C₁ включают, чтобы исключить прохож­дение постоянной составляющей тока и напряжения смещения первого активного элемента в источник сигнала, а также чтобы постоянная составляющая тока от источника сигнала не поступала на вход актив­ного элемента. Конденсатор С₂ — входное устройство для второго каскада, он осуществляет связь каскадов.

Каскады предварительного усиления служат для усиления тока, напря­жения или мощности сигнала до значения, необходимого для подачи на вход мощного усилителя. Для уменьшения нелинейных искажений в них почти всегда используется режим А. Транзисторы обычно вклю­чают по схеме с ОЭ.

Мощный усилитель предназначен для отдачи в нагрузку сигнала требуемой мощности и может состоять из нескольких каскадов. Иногда мощный усилитель называют оконечным. Усилительный элемент в них может работать как в режиме А, так и В. Транзисторы чаще всего включают по схемам с ОЭ и с ОБ.

Выходное устройство необходимо для передачи сигнала из выходной цепи последнего усилителя в нагрузку. В качестве выходного устрой­ства используют трансформаторы, конденсаторы и резисторы. Транс­форматоры служат, например, для согласования выходного сопротивле­ния последнего усилителя с сопротивлением нагрузки. На рис. 18.20,б выходным устройством является конденсатор С₂. Конденсаторы и ре­зисторы используют для разделения постоянных составляющих тока и напряжения выходной цепи усилителя и нагрузки.

Межкаскадные связи служат для передачи сигнала от источника сигнала на вход первого усилителя, от выхода одного каскада на вход другого и от выходной цепи последнего усилителя на нагрузку, осу­ществляя функции разделительных элементов. При этом через них напряжения питания подаются на зажимы усилительных устройств.

Основные виды межкаскадных связей — гальваническая, резисторная, емкостная, трансформаторная и дроссельная. Иногда используют ком­бинации этих связей. Прохождение постоянной составляющей сигнала обеспечивает только гальваническая связь, поэтому этот вид связи может быть применен и в усилителях постоянного тока. Остальные виды связей — в любых усилителях. Гальваническая связь может быть непосредственной и потенциометрической.

Усилительные каскады называют по типу использованной в нем связи: каскад с RС-связью (рис. 18.20,б), трансформаторный кас­кад и т. д.

18.11. Импульсные усилители

В общем случае импульсные сигналы любой формы можно предста­вить в виде суммы постоянной составляющей и ряда гармонических колебаний разных частот. Спектр частот импульсного сигнала может быть очень широким — от десятков герц до десятков мегагерц. На рис. 18.4, а,б был показан импульс наиболее распространенной прямо­угольной формы, без искажений и с искажениями. Искажения обычно вызываются тем, что усилители обладают ограниченной полосой про­пускания. Удлинение фронта импульса и выброс являются следствием завала частотной характеристики в области верхних частот, а скос (спад) вершины импульса — завала частотной характеристики в области низких частот.

Так как прохождению высокочастотных составляющих сигнала препятствуют паразитные емкости, внутренние сопротивления и др., а прохождению низкочастотных составляющих сигнала — емкости и индуктивности элементов усилителя, то импульс на выходе усилителя будет воспроизводиться без искажений только при достаточно широкой полосе пропускания усилителя. Таким образом, основное требование, предъявляемое к импульсным усилителям,— это широкая полоса пропускания частот. Поэтому импульсные усилители часто называют ширкополосными. Для удовлетворения требованию широкополосности в импульсных усилителях используют резисторные каскады, которые обладают наилучшими амплитудно-частотными, фазовыми и переходными характеристиками.

В качестве активных элементов импульсных усилителей используют высокочастотные транзисторы, биполярные чаще всего включают по схеме с ОЭ, а полевые — с ОИ. Для расширения полосы усиливаемых частот в каскады вводят специальные корректирующие цепи, позволяю­щие управлять частотной, фазовой и переходной характеристиками каскада. Схемы коррекции бывают с ОС и без нее. Рассмотрим в качестве примера схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции без ОС.

Низкочастотная коррекция (коррекция плоской вершины импульса). Искажение плоской вершины импульса обычно происходит из-за нали­чия конденсаторов С₂ и С_э (рис. 18.21, a). Зарядка их длится сравнительно долго (в течение примерно длительности входного импульса). Прибли­женно можно считать, что она начинается с того момента, когда формирование фронта выходного импульса уже закончилось и напряже­ние на коллекторе равно установившемуся значению напряжения вы­ходного импульса(см. рис. 18.4,б). При зарядке конденсатора С₂ на низких частотах произойдет увеличение его сопротивления [Х_с = = 1/(2πfС₂)] и увеличение падения напряжения на нем, а это снизит напряжение

Целью коррекции является увеличение усиления сигнала по мере уменьшения его частоты. Один из возможных вариантов коррекции — включение в цепь коллектора каскада цепочки (рис. 18.21, а).

На рис. 18.21,б показана эквивалентная схема выходной цепи усили­теля. Выходное сопротивление активного элемента переменному току отражено в ней сопротивлениемR_Г. Как известно, усиление будет тем больше, чем выше сопротивление нагрузки. Сопротивление конден­сатора изменяется с изменением частоты. Чтобы это сопро­тивление на средних (и тем более на верхних частотах полосы пропуска­ния) было очень незначительным, емкость конденсаторавыбирается сравнительно большой. В этом случае на верхних частотах конденсаторшунтирует резисторR_ф и корректирующая цепь не оказы­вает влияния на работу усилителя. С уменьшением частоты сопротивле­ние конденсатораувеличивается, он уже не шунтируети общее сопротивлениевключенных параллельно R_ф и R_C увеличивается.

Общее сопротивление коллекторной нагрузки в результате возрастает, а вместе с этим увеличивается и напряжение, вследствие чего коэффициент усиления каскада на низких частотах возрастет. Таким образом,вследствие увеличения падения напряжения на разделительном конденсаторе С₂ в идеальном случае не уменьшается (из-за увеличения сопротивления конденсатора С₂ на низких частотах), так как оно компенсируется увеличением напряжения U (рис. 18.21,б). С помощью рассмотренной низкочастотной коррекции при правильном выборе значенийможно значительно увеличить полосу пропускания за счет увеличения диапазона нижних рабочих частот и существенно снизить (или совсем устранить) скос плоской вершины импульса на выходе.

Цепи, изменяющие частотную характеристику в области нижних частот и переходную характеристику в области больших времен, назы­вают цепями низкочастотной коррекции. Цепочкаодновременно является развязывающим фильтром, предотвращающим появление пара­зитной ОС через общий источник питания, так как переменная состав­ляющая напряжения питания замыкается черезна землю и не попадает в коллекторную цепь транзистора.

Высокочастотная коррекция (коррекция фронта импульса). Наибольшее распространение получила схема высокочастотной параллельной кор­рекции индуктивностью. Корректирующая катушка индуктивностивключается последовательно с резистором коллекторной нагрузки(рис. 18.22, а). Они образуют параллельный резонансный контур с ем­костью С₀, нагружающей каскад.

На рис. 18.22,б показана эквивалентная схема выходной цепи каскада для верхних частот полосы пропускания. Емкостьгде С_Н — емкость нагрузки, С_м — емкость монтажа, С_вых — выходная емкость транзистора. Значение индуктивности L_k выбирают очень малым так, что индуктивное сопротивление на нижних и средних частотах незначительно и влияния на работу цепи не оказываетНа высоких частотах при соответственно выбранном значении L_k контур находится вблизи резонанса и сопротивление его возрастет. Так как контур является нагрузкой выходной цепи, произойдет увеличение коэффициента усиления, расширится полоса пропускания и улучшится частотная характеристика. Цепи, изменяющие частотную характеристику на верхних частотах и переходную характеристику в области малых времен, называют цепями высокочастотной коррекции.

Параллельная коррекция индуктивности отличается конструктивной простотой, невысокой стоимостью, надежностью в работе. Но этот вид коррекции пригоден лишь для усилителей в дискретном испол­нении.