Многокаскадные усилители

Классификация, основные параметры и характеристики усилителей
Основные характеристики многокаскадных усилителей
Основные параметры многокаскадных усилителей
Две схемы многокаскадных усилителей
Анализ частотной характеристики усилительного каскада

Классификация, основные параметры и характеристики усилителей

На практике в устройствах промышленной электроники в большинстве случаев для получения необходимой полезной выходной мощности в нагрузке одного каскада недостаточно. Поэтому применяют многокаскадные усилители, собираемые из нескольких последовательно соединенных одиночных усилительных каскадов. В блок-схеме (рис. 1) в качестве датчиков, преобразующих почти любой неэлектрический сигнал во входной электрический сигнал могут использоваться различные источники ЭДС, например микрофон, антенна, фотоэлемент, фотодиод, фоторезистор, фотоэлектронный умножитель, терморезистор, тензорезистор, тахогенератор, пьезоэлектрический преобразователь, считывающая головка с магнитофонной, перфорированной или фотографической ленты, биотоки, индуктивные или емкостные датчики давления, перемещения, плотности уровня и т. д.

В качестве нагрузки можно подключать в выходную цепь каскада УМ комплексные активно-реактивные нагрузки (R, RL, RС, РСL), например обмотку громкоговорителя, фидерную или абонентскую сеть, самописец, обмотку электромагнитного реле, или шагового (искателя) двигателя, или электроконтактора, обмотку возбуждения электродвигателя, различные контрольно-измерительные приборы, блоки развертки луча осциллографа или телевизора, световые индикаторы и т. д.

В блок-схеме многокаскадного усилителя первый входной каскад t предназначен для согласования сопротивления датчика входного сигнала со входным сопротивлением усилителя при одновременном усилении входного сигнала по току или напряжению.

Рис. 1. Блок-схема многокаскадного усилителя

Последний - оконечный, или выходной, каскад является каскадом усиления мощности, передаваемой в полезную нагрузку.

Все остальные промежуточные каскады, включая предоконечный каскад, обеспечивают усиление полезного сигнала по напряжению или току до величины, необходимой для оптимальной работы выходного каскада, при которой отбирается в нагрузку максимально возможная полезная мощность каскада при допустимой величине нелинейных искажений.

На блок-схеме пунктиром показаны цепи отрицательной обратной связи b₁ и b₂, которые, уменьшая коэффициент усиления, улучшают другие более важные качественные показатели усилительного устройства.

Многокаскадные усилители характеризуются следующими признаками, параметрами и характеристиками. По разным признакам различают:

1) усилители на электронных усилительных лампах, на транзисторах, на тиристорах, на туннельных диодах, на микросхемах и т. п.;

2) по количеству усилительных каскадов - двух-, трех- и более каскадные усилители;

3) по частотным свойствам - усилители напряжения или тока низкой частоты (НЧ), высокой частоты (ВЧ), промежуточной частоты (ПЧ), ультразвуковой частоты (УЗКЧ), узкополосные и широкополосные усилители, усилители постоянного тока (УПТ);

4) по виду межкаскадной связи - усилители с RС-связью, в которых применяются разделительные конденсаторы между каскадами; усилители с трансформаторной связью между каскадами; усилители с полосовым колебательным контуром связи между каскадами; усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами;

5) по виду используемой последовательной или параллельной отрицательной обратной связи по напряжению или току;

6) по режимам работы в классах А, В, АВ, С, Д;

7) по соотношению величины входного сопротивления первого каскада R_{вх к-да}, сравнительно с величиной сопротивления датчика R_г входного сигнала различают: а) режим холостого хода (хх), когда R_{вх к-да}>> R_г; б) режим короткого замыкания (кз), когда R_{вх к-да} << R_г; в) режим согласования, когда R_{вх к-да} » R_г, при котором от датчика входного сигнала передается на вход усилителя наибольшая входная мощность сигнала;

8) по соотношению величины выходного сопротивления со стороны выходных клемм усилителя сравнительно с величиной сопротивления нагрузки Rн различают следующие режимы работы:

а) режим хх, когда R_вых << R_н;

б) режим кз, когда R_вых >> R_н;

в) режим согласования, когда R_вых » R_н.

Основные характеристики многокаскадных усилителей

Приведем основные характеристики многокаскадных усилителей.

1. Амплитудная характеристика, показывающая зависимость величины выходного напряжения усилителя от величины входного напряжения при постоянной частоте усиливаемого сигнала, то есть U_вых = f(U_вх) при f = = соnst » 400 или 1000 Гц (рис. 2, а). Чтобы нелинейные искажения не превышали допустимой величины, используется только линейный участок амплитудной характеристики.

Наличие внутренних шумовых помех приводит к тому, что при отсутствии входного сигнала (U_вх = 0) на выходе усилителя имеется выходное напряжение U_вых = U_шума.

2. Частотная (или амплитудно-частотная) характеристика, показывающая зависимость величины коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала при неизменной величине входного напряжения, то есть К = U_вых/ U_вх = j(f) при U_вх = соnst.

На частотной характеристике, показанной на рис. 2, б, различают три области: а) область низкой частоты; б) область средней частоты; в) область верхней частоты.

Рис. 2. Характеристики усилителей:
а - амплитудная; б - частотная
(или амплитудно-частотная); в - фазовая

Эта характеристика показывает, что наибольшее усиление полезного сигнала происходит в области средних частот, а в областях низкой и верхней частот происходит завал характеристики, обусловленный реактивными (емкостными) элементами в схеме усилителя.

На этом графике показана рабочая полоса частот в пределах от верхней граничной частоты до нижней граничной частоты, то есть Df = f_{в гран} - f_{н
гран}, где завал частотной характеристики не превышает допустимую величину более чем на 30% от коэффициента максимального усиления. Обычно ось абсцисс частотной характеристики строят в логарифмическом масштабе, чтобы очень сильно не растягивать график.

3. Фазовая характеристика, показывающая величину угла сдвига фазы j между фазой выходного сигнала и фазой входного сигнала в зависимости от частоты сигнала, то есть j = y(f).

На графике (рис. 2, в) видно, что фазовый угол сдвига j между выходным и входным напряжениями в области средних частот примерно равен нулю, а в областях нижней и верхней частот допустимая величина этого угла примерно равна j » p/4 = 45°.

Нужно иметь в виду, что фазовые искажения связаны с наличием реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) в схемах усилительных устройств. Фазовые искажения существенное значение имеют в осциллографической, телевизионной, радиолокационной, импульсной и т. п. технике. В усилителях звуковой частоты они не оказывают заметного влияния на восприятие звукового сигнала человеком.

Основные параметры многокаскадных усилителей

Основными параметрами многокаскадных усилителей являются:

1. Общий коэффициент усиления по напряжению

К_u= U_вых / U_вх = U_{m вых}/ U_{m
вх} ,

где U_вх и U_mвх обозначают соответственно действующие и амплитудные значения выходных и входных напряжений усиливаемого сигнала.

В ламповых схемах усилителей, а также в усилителях на полевых униполярных транзисторах, у которых входное сопротивление каскада значительно больше внутреннего сопротивления датчика входного сигнала, то есть R_{вх к-да} >> R_г, то можно принять U_вх » Е_г, где Е_г - ЭДС датчика сигнала.

Однако в транзисторных усилителях, у которых R_{вх к-да} < R_г, при необходимости определяют коэффициент усиления усилителя по напряжению относительно величины ЭДС Е_г датчика как генератора входного сигнала. При этом К_u = U_вых/ Е_г. Если усилитель содержит несколько последовательно включенных каскадов, то общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, то есть

К_u = U_вых / U_вх = К_u1 * К_u2... К_un.

2. Коэффициент усиления по току

К_i= I_{m вых}/ I_m _вх = I_вых / I_вх ,

где I_вых - ток в нагрузке, I_вх - ток во входной цепи усилителя.

3. Коэффициент усиления по мощности

К_p = К_i * К_u = Р_вых / Р_вх,

где Р_вых - полезная мощность, выделяемая в нагрузке; Р_вх полезная мощность, расходуемая во входной цепи усилителя.

4. Если коэффициенты усиления усилителя выражены в децибелах, то расчетные формулы имеют следующий вид:

К_u(дб) = 20lgК_u; Кi(дБ) = 20lgК_i; К_р(дБ) = 10lgК_р.

Некоторые соотношения для перевода безразмерных К_u в коэффициенты усиления, выраженные в децибелах Кu(дБ), приведены в табл. 1.

Таблица 1

К_u К_u(дБ)	1.12 1	1.41 3	2 6	3.16 10	5.62 15		10.0 20		17.8 25	31.6 30		56.2 35	70.8 37	100 40
К_u К_u(дБ)	178 45	200 46	251 48	316 50	562 55		1000 60		1780 65	2000 66		3160 70	3980 72	5620 75
К_u К_u(дБ)	6310 76	7940 78	8910 79	10000 80		100000 100		1000000 120			10000000 140

Примечания. 1. Если нужно перевести безразмерные К_р в коэффициенты усиления мощности, выраженные в децибелах К_р(дБ), то указанные в таблице числа в децибелах К_u(дБ) следует разделить на два. 2. Если необходимо выразить не усиление, а ослабление сигнала, когда U_вых < U_вх в указанное в таблице число раз, то перед найденным числом децибел нужно обязательно поставить знак минус ( - ), который означает, на сколько децибел ослаблен сигнал.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общий коэффициент усиления усилителя будет равен сумме коэффициентов усиления всех каскадов:

К (дБ) = К₁ (дБ) + К₂ (дБ) + . . . + К_n (дБ) .

Человеческий слуховой анализатор может различать изменение уровня звукового сигнала около 1 дБ. Болевое ощущение вызывает верхний уровень звука, соответствующий 140 дБ.

5. Коэффициент полезного действия, характеризующий экономичность усилителя:

а) электрический КПД

h_э = Р_вых / Р_о × 100% ;

б) промышленный КПД с учетом всех потерь в цепях усилителя

h_п = Р_вых / ( Р_о + Р_потерь ) × 100%,

где R_вых = 0,5 * I²_{m вых} * R_н - полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

Р_о - мощность, потребляемая в выходной цепи усилителя;

Р_потерь - мощность, расходуемая на накал ламп и во вспомогательных цепях усилителя.

6. Допустимый коэффициент частотных искажений для каждого каскада в области нижних М_н и верхних М_в частот, равный отношению коэффициента усиления в области средних частот К_ср к коэффициенту усиления каскада в области нижних и верхних частот (К_н и К_в), принимают равным

М_н = М_в = К_ср / К_н = К_ср / К_в =, что соответствует 3 дБ.

В многокаскадных усилителях общий коэффициент частотных искажений как в области нижних, так и в области верхних частот равен М_ус = = М₁ * М₂ ... М_n, где n - число каскадов. В усилителях с реостатно-емкостной связью коэффициенты частотных искажений можно определить как для нижней граничной частоты, так и для верхней граничной частоты:

М_в = К_ср / К_в = ... ламповый вариант;

М_в = К_ср / К_в = ... транзисторный вариант.

Если принять допустимый коэффициент частотных искажений в пределах 1,05 ... 1,41, то соответствующие граничные частоты будут находиться в пределах

f_{н гр}=

f_{в гр} =

где для лампового усилителя t_н = С_разд * R_с;

t_в = С_вхR_экв; R_экв = R_а || R_i || R_c;

аналогично, с учетом особенностей транзисторных схем, можно для них определить постоянные времени в области нижних и верхних граничных частот.

7. Коэффициент нелинейных искажений оценивается величиной

Нелинейные искажения характеризуют степень искажения формы усиленного выходного напряжения (или тока) по сравнению с формой входного сигнала. Появление нелинейных искажений полезного сигнала объясняется нелинейностью вольт-амперных характеристик усилительных ламп или транзисторов при работе с большой амплитудой усиливаемого сигнала. Это явление наглядно показано на амплитудной характеристике, выражающей линейную зависимость выходного напряжения при малых амплитудах входного сигнала и нарушение линейности с увеличением амплитуды входного усиливаемого сигнала. Это явление приводит к появлению в выходном сигнале высших гармоник, которых не было во входном сигнале.

В усилителях звуковой частоты (от 20 Гц до 16 кГц) нелинейные искажения проявляются в появлении хрипов и нечеткого, неразборчивого звуковоспроизведения. Допустимый коэффициент нелинейных искажений в таких усилителях не более 4-х % , а в усилителях телефонной связи не более 15-ти %.

8. Общий угол сдвига фаз между выходным и входным напряжениями многокаскадного усилителя как в области нижних, так и в области верхних частот равен j = j₁ + j₂ + ... + j_n.

9. Коэффициент шума и внешних помех усилителя, связанный с внутренними флуктуационными процессами движения носителей зарядов в активных и пассивных элементах, входящих в электрические цепи усилителей, а также вследствие пульсаций питающего напряжения и наводки электромагнитных полей от внешних источников. Наибольшее влияние оказывают шумы и помехи, возникающие в первом каскаде усилителя, так как они усиливаются далее всеми последующими каскадами усилителя.

Наличие шумовых и внешних помех видно на амплитудной характеристике, которая начинается выше нулевого значения при отсутствии входного сигнала, то есть U_вых > 0 при U_вх = 0.

Наличие внутренних шумовых помех определяет пороговую чувствительность усилительного устройства, соответствующую минимальному напряжению входного сигнала, при котором выходное напряжение полезного сигнала равно выходному напряжению усилителя, возникающему от внутренних шумов.

Две схемы многокаскадных усилителей

В качестве примера на рис. 3 приведены две принципиальные электрические схемы многокаскадных усилителей: на биполярных транзисторах (а) и на полевых транзисторах (в).

В этих схемах усилителей в качестве первого входного каскада включен эмиттерный (катодный, истоковый) повторитель, который обеспечивает согласование высокоомного датчика сигнала со входным сопротивлением усилителя. Такой каскад, не усиливая входной сигнал по напряжению, усиливает его по току и мощности.

Все остальные каскады собираются по схеме с общим эмиттером (общим катодом, общим истоком), давая усиление и по току и по напряжению (транзисторный вариант), и в основном по напряжению (ламповый вариант).

Последний двухтактный каскад УМ (транзисторный вариант) и однотактный каскад УМ на лучевом тетроде (и полевом транзисторе) обеспечивают усиление сигнала по мощности, отдаваемой в нагрузку.

Рис. 3. Две схемы многокаскадных усилителей;

а - на биполярных транзисторах;

в- на полевых транзисторах с и-каналом

В этих схемах между первым и вторым, между вторым и третьим каскадами применена резистивно-емкостная связь, в которую по переменной составляющей усиливаемого сигнала входят элементы, указанные далее в эквивалентной схеме (рис. 4).

Между третьим и четвертым - выходным - каскадами применена трансформаторная связь при помощи переходного трансформатора ТР1, которая обеспечивает повышение КПД каскада предварительного усиления, устраняет гальваническую связь между этими каскадами по постоянному току и напряжению, согласует величину выходного тока (транзисторный вариант) или напряжения (ламповый вариант) предоконечного каскада с необходимой величиной входного тока или входного напряжения выходного - оконечного - каскада.

При этом коэффициент трансформации ТР1 берется небольшой величины, около 2 ... 3.

Следует иметь в виду, что трансформаторная межкаскадная связь может давать резкий подъем частотной характеристики в области резонансной частоты трансформатора при соответствующей величине индуктивности и распределенной межвитковой емкости его обмоток.

Чтобы использовать это явление для компенсации завала частотной характеристики в области нижних или верхних частот, необходимо подбирать переходной трансформатор с резонансной частотой, соответствующей этим частотам.

Рис. 4. Эквивалентная схема второго каскада а - транзисторного усилителя;

б -лампового усилителя

В выходную цепь оконечного каскада УМ (двухтактного - на биполярных транзисторах и однотактного на мощном лучевом тетроде) при помощи выходного трансформатора ТР2 включена нагрузка R_н (или Z_н).

Во всех схемах выходной трансформатор согласует величину сопротивления нагрузки R_н с выходным сопротивлением каскада, исходя из ранее указанного соотношения n²*R_н = R_экв откуда

Все предварительные каскады и однотактный каскад УМ работают в режиме класса А, а двухтактный каскад УМ на транзисторах может работать в классе А или с более высоким КПД в классе АВ1.

Если исключить из схемы двухтактного каскада УМ резисторы R5 , R6, то этот каскад будет работать в режиме класса В без начального смещения рабочей точки.

Для анализа частотной характеристики каждого каскада изображается его эквивалентная схема, то есть схема замещения каскада по переменным составляющим усиливаемого напряжения или тока.

При этом замещении источник питания Е_к (или Е_а - ламповый вариант) считается закороченным по переменным составляющим коллекторного (или анодного) тока, а транзистор замещается эквивалентным генератором тока i_г = - bI_вх и внутренним сопротивлением его R_г = R_{вх транз} или генератором напряжения (ламповый вариант) с ЭДС е_г = - bU_вх и внутренним его сопротивлением R_г = R_i, равным внутреннему сопротивлению усилительной лампы.

Пользуясь таким законом эквивалентного генератора, на рис. 4, а приведена эквивалентная схема второго каскада транзисторного усилителя (рис. 3, а) как эквивалентного генератора тока, а на рис. 4, б приведена полная эквивалентная схема второго каскада из лампового усилителя(рис. 3, б), где лампа представлена как генератор напряжения. Используя схему замещения лампового каскада и его типовую частотную характеристику, показанную на рис. 5, в качестве примера приведем анализ такой частотной характеристики.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада

Анализ частотной характеристики усилительного каскада

Снижение коэффициента усиления в области нижних частот (f_{н гр}) происходит в основном вследствие потерь выходного напряжения на разделительном конденсаторе С_рз в цепи межкаскадной связи, который имеет емкостное сопротивление Х_с= 1 / (w_н С_{р з}) значительной величины в области нижних частот и малой величины в области средних и верхних частот, на которых влияние его и не учитывается.

Снижение коэффициента усиления в области верхних частот (f_{в гр}) вызывается тем, что резистор R_с3 шунтируется сравнительно небольшим емкостным сопротивлением входной паразитной емкости каскада

Х_{Свх з} = 1 / (w_н С_{вх з}) ,

что снижает входное эквивалентное сопротивление каскада, уменьшая снимаемое с него напряжение, подаваемое на вход следующего каскада и соответственно уменьшая коэффициент усиления. Одновременно влияние этой емкости в области нижних и средних частот незначительно, поэтому в этих случаях в расчет не принимается.

Учитывая эти соображения, на рис. 6 приведены три эквивалентные схемы усилительного каскада, которые помогают составить расчетные формулы его коэффициентов усиления в области средних, нижних и верхних частот.

Во-первых, в области средних частот (рис. 6, а), где пренебрегают влиянием емкостных сопротивлений, получается максимальный коэффициент усиления. Из эквивалентной схемы следует, что

, где

отсюда получим

Рис. 6. Эквивалентные схемы лампового каскада в области:

а - средних частот; б - низких частот; в - верхних частот

Во-вторых, в области нижних частот (рис. 6, б), где из полной эквивалентной схемы исключена входная паразитная емкость C_вх3,

или

где w_н = 2pf_{н
гр}

постоянная времени в области

f_н...t_н = С_р3×R_с3 =

f_н = от до

В-третьих, в области верхних частот, где не учитывается влияние разделительного конденсатора С_р, (рис. 6, в), коэффициент усиления каскада будет определяться по формуле

где w_в = 2pf_{в
гр}

f_{в гр} = ¸; t_в =;

С_{вх 3} = С_монт + С_ак2 + С_ск2 + С_ас3(1 + К₃)

Таким образом, определив К_ср, К_н, К_в, Df = f_{в гр} — f_{н гр}, можно построить частотную характеристику каскада К = j(f) при U_вх = соnst.

Следует иметь в виду, что анализ частотной характеристики резистивно-емкостного каскада на транзисторе осуществляется по аналогичным формулам, но с учетом некоторых особенностей, присущих параметрам транзисторных каскадов, например зависимости коэффициента усиления по току от частоты.

к оглавлению ТОЭЭЭ ТЭЦ

Знаете ли Вы, что, как не тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира