Особенности многокаскадных усилителей

В многокаскадных усилителях число каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления К_U, К_I, К_P. Чем больше необходимо получить коэффициент усиления, тем больше количество каскадов последовательно соединенных между собой.

R_г

Структурная схема многокаскадного усилителя приведена на рисунке 2.9.

~

U_вх1

1

U_вых1=U_вх2

2

U_вых2U_вх2(N-1)

N-1

U_вых(N-1)=U_вх1

N

U_выхN

E_г

Рисунок 2.9 – Структурная схема многокаскадного усилителя

В многокаскадных усилителях выходной сигнал первого и любого промежуточного каскада служит входным сигналом последующего каскада.

Нагрузкой каскада является входное сопротивление последующего каскада. Первый каскад называется входным, каскад N-1 есть предоконечный каскад, N-оконечный или выходной каскад, которым обычно является усилитель мощности. Все остальные, расположенные между первым каскадом и каскадом N-1, называются промежуточными. Е_г, R_г – входная цепь усилителя, в выходной цепи стоит R_н.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов:

K_U = = · … = K_U1 · K_U2 … K_UN

С увеличением числа каскадов коэффициент частотных искажений увеличивается: М = М₁ · М₂ · М₃ и т. д., следовательно, ∆f усилителя уменьшается.

Угол фазового сдвига в многокаскадном усилителе равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в схеме: φ_н = φ_нр1 + φ_нр2 +…

2.2 Режимы работы усилительных каскадов (классы усиления)

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения различают 3 основных режима работы усилительных каскадов или классов усиления: A, B, C.

Основными характеристиками этих режимов являются:

• нелинейные искажения;

• коэффициент полезного действия (к. п. д.).

Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) входной и переходной характеристик и, соответственно, посередине линии нагрузки на семействе выходных характеристик. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будет min, т. е. при подаче на вход усилительного каскада гармоничного напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широко применяют в усилителях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток – очень низкий к.п.д. усилителя.

К.П.Д. усилителя определяется отношением выходной мощности Р_вых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Р₀:

η = Р_вых / Р₀ ,

где P_вых = 0,5 U_кm I_кm, (U_кm, I_кm – замплитуды коллекторных напряжений и токов);

I_к

I_к

P₀ = U₀ I₀ – потребляемая мощность, которая частично преобразуется в выходную мощность, а частично переходит в теплоту, выделяемую на элементах усилительного каскада. Т. е. Р₀ равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора.

U_вых

U_вх

0

0

0

П

П

П

U_б

i_б

I_бп

I_б

I_б

U_к

U_кп

i_к

I_кп

Рисунок 2.10 – Положение рабочей точки в режиме А на характеристиках УК

Из рисунке 2.10 видно, что амплитуды переменных составляющих коллекторных напряжения и тока в режиме А меньше соответствующих постоянных составляющих, т. е. U_кm < U₀ и I_кm < I₀. Следовательно, к.п.д. усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5, в действительности он редко превышает 0,35. Поэтому, например, в усилителях мощности, для которых к. п. д. имеет существенное значения, режим А используется очень редко.

-

I_к

I_к

Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П1 выбирают в начале переходной характеристики. Это точка отсечки (рисунок 2.11).

П1

П1

0

I_б

U_вых

U_вх

Рисунок 2.11 – Положение рабочей точки в режиме В на характеристиках УК

В режиме В переменные составляющие I и U транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение УК при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. возникают очень большие нелинейные искажения. Режим В характеризуется значительно более высоким к.п.д. усилителя по сравнению с режимом А, т. к. ток покоя I_б0 практически равен 0, а постоянная составляющая тока I₀ имеет очень маленькое значение, т. е. I_кm >> I₀. К.п.д. усилителя в режиме В может достигать 80 %. Поэтому режим В используется обычно в усилителях мощности.

Иногда используется режим работы УК, промежуточный между режимом А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка при этом должна находится в интервале между положениями рабочей точки в режиме А и В. В этом случае к.п.д. усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

I_к

I_к

Режим С характеризуется тем, что рабочую точку П2 выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рисунок 2.12).

П2

П2

П1

I_б

Рисунок 2.12 – Положение рабочей точки в режиме С на характеристиках УК

Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но к.п.д. может быть очень высоким и приближаться к 1. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего из-за больших нелинейных искажений.