Многокаскадные усилители

Усилительные каскады, рассмотренные в предыдущих разделах, имеют

ограниченный коэффициент усиления, зависящий от параметров транзисторов и других компонентов схемы. Эти одиночные каскады, как правило, не в состоянии обеспечить требуемый коэффициент усиления. Поэтому строят многокаскадные усилители, представляющие последовательное соединение одиночных усилительных каскадов (рисунок 4.36). В настоящее время промышленность освоила выпуск интегральных многокаскадных усилителей различного назначения. Они являются готовыми функциональными узлами с известными параметрами. Комбинируя и соединяя их между собой соответствующим образом, реализуют многокаскадные усилители, имеющие требуемые параметры и характеристики преобразования.

Рисунок 4.36– Многокаскадный усилитель

Можно выделить следующие типы связи между микросхемам и отдельными усилительными каскадами: гальваническую (непосредственную); емкостную (с помощью RС-цепочек); трансформаторную; с помощью частотно-зависимых цепей; оптронную.

Для сравнительно низкочастотных усилителей чаще всего используют первый и второй тип связи. Третий применяют реже из-за больших габаритов трансформаторов, невозможности их микроминиатюризации, высокой стоимости, сложности изготовления, повышенных нелинейных искажений. Однако трансформаторная связь успешно может быть использована при необходимости получить максимальное усиление но мощности. Четвертый тип используют при создании избирательных усилителей, а пятый применяется сравнительно редко, только в специальных случаях, когда при низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.

При проектировании многокаскадных усилителей, к которым не предъявляются специальные требования, обычно необходимо знать выходную мощность усилителя Р_н, выходное напряжение U_н, сопротивление нагрузки R_н,допустимый коэффициент гармоник К_г,рабочий диапазон частот f_н и f_в , нормированный коэффициент усиления на низшей и высшей частотах, входное напряжение U_вх, внутреннее сопротивление источника питания R_ист .

При создании различных преобразовательных устройств на основе многокаскадных усилителей надо знать также значения входного и выходного сопротивлений, максимально допустимый фазовый сдвиг выходного сигнала в рабочем диапазоне частот, допустимую нестабильность коэффициента усиления и т.д.

Проектирование многокаскадного усилителя рекомендуется начинать с выбора его структурной схемы и выбора микросхем, входящих в нее, с учетом требований, предъявляемых к усилителю. При этом решают вопрос о том, обеспечивают ли выбранные микросхемы получение требуемых параметров у усилителя или нужны дополнительные входные и выходные устройства.

Если готовый интегральный усилитель может быть использован для реализаций усилителя с требуемыми параметрами, то его надо вводить в состав структуры усилителя, а специфические требования удовлетворять за счет введения ОС соответствующего вида. Иногда приходится дополнительно вводить мощный выходной каскад, а также входной каскад с высоким или очень малым входным сопротивлением. И только, если из-за требований, предъявляемых к характеристикам преобразования, усилитель нельзя выполнить из набора готовых интегральных микросхем, его проектируют на дискретных компонентах.

Порядок разработки принципиальной схемы во многом зависит от требований, предъявляемых к усилительному устройству. Если задано определенное значение входного сопротивления, то в первую очередь следует определить, каким путем оно будет получено, и,исходя из этого, проектировать входное устройство и остальную часть усилителя. Если заданы выходная мощность и выходное сопротивление усилителя, то проектирование следует начинать с выходного каскада, а затем переходить к проектированию остальной части. Если определенные требования предъявляют как к входной, так и к выходной частям усилителя, то сначала решаются вопросы реализации входного и выходного каскадов, а потом проектируют часть усилителя, связывающую их.

Исходя из допустимой нестабильности коэффициента усиления и получения требуемых параметров сразу же должен быть решен вопрос о виде ОС и ее глубине. Так как с введением ОС коэффициент усиления K_ос уменьшается, то это должно быть учтено при выборе количества интегральных микросхем. При этом приходится (априори или на основе статистических данных и рекомендаций) задаваться возможным изменением коэффициента усиления K усилителя без ОС и исходя из общего выражения общего выражения ^

dK_ос/K_ос » dK/K(1+ Kb) - db/b . (4.61)

определять петлевое усиление.

Если считать параметры цепи ОС стабильными, то db (β–коэффи­циент передачи петлиОС) и ориентировочная глубина обратной связи определяется из

Kb ≈( dK/K/ dK_ос/K_ос) –1.(4.62)

Если коэффициент усиления усилителя без ОС может изменяться примерно на 50% (dK/K~0,5) и при этом требуется, чтобы при введении цепи ОС коэффициент усиления усилителя не изменялся более чем на 0,5% (dK_ос/K_ос = 0,005), то при db »0 необходимое петлевое усиление Kb = 99.

При заданном значении K_ос и найденной глубине обратной связи определяют коэффициент усиления усилителя с разомкнутой цепью ОС:

K= K_ос (1+ Kb ) . (4.63)

Решив вопрос о структуре усилителя, количестве микросхем, используемых в нем, виде и глубине ОС, составляют ориентировочную принципиальную схему. При этом следят, чтобы входное сопротивление последующей микросхемы было больше или равно минимально допустимому сопротивлению нагрузки предыдущей. Сопротивление нагрузки в том или ином виде задают в технических условиях на микросхему.

Кроме того при непосредственной связи между микросхемами необходимо согласовывать уровни выходного сигнала предыдущей микросхемы с допустимым входным сигналом последующей. При этом следует предусматривать цепи, обеспечивающие защиту входных цепей микросхемы от возможных аварийных изменений входного сигнала. В качестве таких цепей часто используют два включенных параллельно и встречно диода. Сопротивление их велико до тех пор, пока входное напряжение не превышает контактную разность потенциалов у р-п-перехода 0,2—0,4 В. До этого уровня они не влияют на входной сигнал. При дальнейшем увеличении входного напряжения диоды открываются и ограничивают сигнал на входе микросхемы значениями 0,2—0,4 В, что, как правило, допустимо для всех микросхем. Цепи защиты являются обязательными для тех микросхем, у которых допустимое входное напряжение меньше максимального выходного напряжения предыдущей микросхемы.

Частотные искажения, вносимые каждой интегральной схемой в диапазоне высоких частот, известны из паспортных данных или могут быть определен экспериментально. Результирующее усиление усилителя находит как произведение соответствующих коэффициентов отдельных микросхем:

К_у = К_ВХК₁× ×К₂К₃...К_n , (4.65)

где К_вх — коэффициент передачи напряжения входной цепи;

К₁, К₂, К₃... К_n — коэффициенты усиления перво­го, второго, третьего и последующих каскадов усиления.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выражен­ный в децибелах, определяется:

К_у [дБ] = K_вх [дБ] + K₁[дБ]+ К₂ [дБ] + ...+К_n [дБ]. (4.66)

Мерой частотных искажений, которые вносит каскад усиления на данной частоте f, является коэффициент частотных искажений М, равный отношению модулей коэффициентов усиления на сред­ней и данной рабочих частотах: М = К₀ /К_f , где К₀ — коэффициент усиления на средней рабочей частоте; К_f — коэффициент усиле­ния на данной рабочей частоте.

Для многокаскадного усилителя в относительных единицах ко­эффициент частотных искажений определится произведением коэф­фициентов частотных искажений отдельных каскадов

М_у =М_вх × ×M₁M₂M₃... М_п ,

а в децибелах — суммой коэффициентов час­тотных искажений

М_у [дБ] =М_ВХ [дБ]+M₁ [дБ]+ М₂ [дБ] + М₃[дБ]+ ... +М_п [дБ].

Частотные искажения в диапазоне низких частот, как правило, обусловлены влиянием цепей связи между микросхемами. Если в структуре усилителя имеется трансформатор, то считают, что основные искажения вносятся им.

В зависимости от особенностей усилителя частотные искажения между цепями связи распределяют равномерно или неравномерно. При равномерном распределении частотные искажения каждой цепи связи определяют из выражения

М₁=М₂=…М_n=> (4.67)

Нелинейные искажения в усилителе оцениваются значением коэффициента гармоник многокаскадного усилителя, который приблизительно определяется выражением

.

где К_Г2, К_Г3,,K_Г4 — коэффициенты гармоник, вносимые отдельны­ми каскадами усиления.

Так как амплитуда сигнала на входе последнего каскада усиления наибольшая, то искажения вносит в основном оконечный каскад усиления. Это обусловлено тем, что наибольшие нелинейные искажения возникают при больших уровнях усиливаемого сигнала, когда начинают сказываться нелинейности характеристик транзисторов. В микросхемах, работающих с малыми выходными сигналами, нелинейные искажения в первом приближении можно не учитывать. Поэтому в ряде случаев для упрощения расчетов определяют искажения, вносимые только оконечным каскадом:К _г.у ≈ К_у.ок .

Определив число микросхем, их тип, составив принципиальную схему и распределив искажения между цепями связи микросхем, переходят к электрическому расчету параметров цепей связи между микросхемами и цепей, обеспечивающих требуемую глубину ОС. При наличии дискретных усилительных каскадов проводят полный расчет последних.

При выборе параметров цепей связи микросхем необходимо учитывать как выходное сопротивление предыдущей микросхемы, так и входное сопротивление последующей. Так, если микросхемы соединены между собой с помощью RC-цепи (рисунок 4.37), то коэффициент передачи

К(jω)=Rэкв/( Rэкв+Rвых+1/jωC), (4.68)

где Rвх, R_BbIX — входное и выходное сопротивления микросхем;

Rэкв=R║ Rвх.

В диапазоне рабочих частот для устранения частотной зависимости коэффициента передачи от параметров цепи связи необходимо, чтобы выполнялось неравенство

Rэкв+Rвых 1/jωC . (4.69)

Рисунок 4.37–Соединение микросхем между собой с помощью RC-цепи

Тогда коэффициент передачи цепи междукаскадной связи врабочей полосе частот

К=Rэкв/( Rэкв+Rвых). (4.70)

Коэффициэнт частотных искажений на нижней рабочей частоте, заданный для данной цепи связи,

М= |К|/| К(jω) |=|( Rэкв+Rвых+1/jωC)) | /( Rэкв+Rвых). (4.71)

Один из элементов цепи связи (чаще всего R) задают исходя из требований, не связанных с частотными искажениями, например, для обеспечения требуемого входного сопротивления или допустимого падения напряжения, вызванного входным током и т. д. Другой элемент определяют с помощью уравнения (4.71).
По окончании расчетов всех элементов определяют результирующие параметры и характеристики усилителя (в том числе коэффициент шума). После чего собирают его макет ,проводят настройку и испытание. В случае несложных усилителей с малым количеством микросхем, где получение положительного результата очевидно, этапы макетирования и настройки отсутствуют. В этом большое преимущество конструкций, созданных на основе микросхем с заранее известными параметрами перед усилителями, выполненными на дискретных компонентах.

Коэффициент шума усилителя определяется:

(4.72)

где K_Pвх и Kp₁ — коэффициенты передачи и усиления мощности входного устройства и первого каскада усиления соответственно;

К_швх, К_ш1, К_ш2 — коэффициенты шума отдельных каскадов.

Значе­ния коэффициентов шума отдельных каскадов зависят от типа используемого усилительного элемента, его температуры и режима работы.

Следует отметить, что при введении в усилитель глубокой ООС возникает опасность са­мовозбуждения усилителя. Са­мовозбуждение может произой­ти из-за того, что на определен­ных частотах реактивными эле­ментами цепи обратной связи вносится дополнительный фа­зовый сдвиг и фаза входного напряжения усилителя U_BX совпадает с фазой напряжения на выходе цепи обратной связи U_о.с . В этом случае коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью

К_.о.с.= . (4.73)

Таким образом , при положительной обратной связи коэффициент усиления усилителя увеличивается. Произведение βК изменяется от 0 до 1, поэтому К_.о.с. > К , но имеет конечное значение. При значениях βК близких к единице, коэффициент усиления К_.о.с. > К стремится к бесконечности и на выходе усилителя будут существовать колебания даже при отсутствии полезного вход­ного сигнала.

Источником выходного напряжения усилителя в этом случае будет напряжение тепловых шумов с непрерывным частотным спек­тром, которое всегда имеется на входе усилителя. Усилитель само­возбуждается, превращаясь в генератор. Для усилителя такой ре­жим недопустим.

В многокаскадных усилителях через общие цепи питания, ем­кости монтажа, паразитные индуктивности могут возникать внут­ренние обратные связи, для которых на какой-нибудь частоте вы­полняется соотношение (4.73). Это приводит к ухудшению харак­теристик усилителя и в некоторых случаях — к его самовозбуж­дению. Подобные обратные связи называют паразитными. Тща­тельный монтаж, использование корректирующих цепочек, развя­зывающих фильтров и другие меры позволяют свести паразитные обратные связи к минимуму.

Методика расчета каскада предварительного усиления с ОЭ (рисунок 4.21)

Исходные данные для расчёта каскада предварительного усиления: Р_вых; R_н; f_н;