Многокаскадный усилитель. Эмиттерный повторитель

1. Многокаскадный усилитель

Для получения высоких значений коэффициента усиления переходят от однокаскадного усилителя к многокаскадному, в котором каскады включаются последовательно. Структурная схема такого усилителя представлена на рис.2.14.

Рисунок 2.14. Структурная схема многокаскадного усилителя

Если потери между каскадами отсутствуют, то напряжение на выходе каждого предыдущего каскада равно напряжению на входе последующего каскада. Это позволяет записать для усилителя, состоящего из N каскадов, соотношение для коэффициента усиления

К = = · ··· =

= К · К ··· К. (2.21)

Таким образом, коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов.

Усиление сигнала в усилителе должно осуществляться без его искажения, но одновременно при высоком коэффициенте полезного действия. Такие требования на одном каскаде не обеспечиваются. Дело в том, что качественное воспроизведение сигнала реально достигается лишь при небольшой амплитуде отклонения рабочей точки на выходной характеристике транзистора от точки покоя. Но при этом величина КПД не превышает нескольких процентов. Одновременное обеспечение высокого КПД и усиление сигнала без существенного его искажения возможно получить в многокаскадном усилителе, поскольку в этом случае можно обеспечить разделение функций: в начальных маломощных каскадах достигается качественное воспроизведение сигнала с высоким усилением сигнала, а в конечных каскадах – высокий КПД, но при малых коэффициентах усиления.

Рассмотренная в предыдущем разделе схема (рис. 2.3) используется в качестве начальных каскадов многокаскадных усилителей. А конечные каскады строятся с использованием иных схемных решений (см. разд. 2.10 и 2.11). В состав многокаскадного усилителя могут также вводиться каскады, выполняющие специальные функции. Схема такого каскада рассмотрена в разд. 2.9.

Многокаскадные усилители различаются по виду связей между каскадами. Эти связи могут быть емкостными, трансформаторными или непосредственными в зависимости от того, каким образом они осуществляются: через конденсатор, через трансформатор или непосредственно (кондуктивно). Например, многокаскадный усилитель, построенный из каскадов со схемами рис. 2.3, имеет конденсаторную связь, т.к. элементами связи являются разделительные конденсаторы. Недостатком емкостной связи является ограничение рабочего диапазона в области низких частот. Это ограничение проявляется в большей степени при увеличении числа конденсаторов в схеме усилителя. К недостаткам трансформаторной связи, кроме того, относятся большие массо-габаритные параметры и стоимость. Поэтому такая связь используется только в оконечных каскадах многокаскадных усилителей. Недостатки непосредственной связи будут обсуждены при анализе усилителей постоянного тока (разд. 2.15).

2. Эмиттерный повторитель

В эмиттерном повторителе транзистор включен по схеме ОК, как показано на рис. 2.15. Выходное напряжение снимается с резистора в эмиттерной цепи транзистора. Поэтому переменная составляющая эмиттерного тока должна протекать через резистор R, что предполагает отсутствие в эмиттерной цепи конденсатора. Этим схема на рис. 2.15 отличается от схемы на рис. 2.3.

Рисунок 2.15. Схема эмиттерного повторителя

Выходное напряжение эмиттерного повторителя по величине практически равно входному. Действительно, согласно второму закону Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений контура, содержащего вход транзистора и резистор R,

u = uБЭ + i R = uБЭ + u вых u вых. (2.22)

Кроме того, фазы входного и выходного напряжений совпадают. Это определило название каскада.

Рисунок 2.16. Эквивалентная схема эмиттерного повторителя

для переменной составляющей тока

На рис. 2.16 приведена эквивалентная схема эмиттерного повторителя для переменных составляющих электрических параметров, которая позволяет провести оценку величин входного и выходного сопротивлений каскада.

Отсутствие в схеме эмиттерного повторителя конденсатора, шунтирующего резистор Rэ, изменяет величину входного сопротивления этого каскада по сравнению с величиной, определяемой соотношением (2.14), для каскада ОЭ. Однако этим соотношением можно воспользоваться для определения входного сопротивления эмиттерного повторителя, но с учетом того, что rвх является сопротивлением входной цепи транзистора, а не его входным сопротивлением. Согласно второго закона Кирхгофа для контура с входной цепью транзистора

UВХ = Б rБ + Э (rЭ + RЭRН).

Откуда

rвх = = rБ + (1 + ) (rЭ + RЭRН). (2.23)

Тогда с учетом того, что rЭ << RЭRН и rБ << (1+)RЭRН соотношение для входного сопротивления эмиттерного повторителя может быть записано в виде:

RВХ R1R2[(1 + )( RЭRН). (2.24)

При наличии высокоомного делителя напряжения R1 - R2 и величине параметра , которая обычно равна нескольким десяткам, величина входного сопротивления эмиттерного повторителя достигает нескольких десятков кОм.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя согласно эквивалентной схеме рис. 2.16 с учетом большой величины сопротивления rк(э) определяется параллельным соединением сопротивления RЭ и цепи, содержащей сопротивления rЭ, rБ и R1 R2 RГ , где RГ - внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Сопротивление этой цепи равно:

При малой величине сопротивления RГ, вторым слагаемым в соотношении (2.25) можно пренебречь. Тогда для выходного сопротивления эмиттерного повторителя можно записать:

R = R r. (2.26)

Его величина, как правило, находится в пределах 10-50 Ом.

Эмиттерный повторитель, характеризующийся высоким входным сопротивлением и низким входным, обычно используются в качестве согласующего звена при работе усилителя на низкоомную нагрузку.

Выходной ток IВЫХ, протекающий через сопротивление RН схемы рис. 2.16, равен:

а входной ток согласно (2.23) и (2.24):

Откуда коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя:

(2.27)

Максимальное значение этого коэффициента, равное (1 + ), достигается при условии

RЭ >> RH и R1 ||R2 >> rВХ.

3. Усилитель мощности

с трансформаторным включением нагрузки

На выходе многокаскадных усилителей высокого уровня мощности включаются усилительные каскады, основное назначение которых заключается в обеспечении максимально возможного КПД. В таких каскадах, получивших название усилителей мощности, это достигается за счет снижения коэффициента усиления. Одна из схем усилителя мощности приведена на рис. 2.17.

Поскольку в выходной цепи транзистора усилителя мощности протекают большие токи, для уменьшения потерь в коллекторную цепь включают первичную обмотку трансформатора Тр, с помощью которого осуществляется передача выходного сигнала в нагрузку, а сопротивление резистора в эмиттерной цепи R выбирается малым, или этот элемент в схему не вводится вообще. Сопротивление обмоток трансформатора незначительно. Введение в эмиттерную цепь конденсатора не имеет смысла, поскольку при малом сопротивлении резистора R емкость конденсатора должна быть очень большой, чтобы обеспечить выполнение условия (2.12). При этом приходится идти на уменьшение коэффициента усиления каскада.

Рисунок 2.17. Схема усилителя мощности

с трансформаторным включением нагрузки

Усилитель мощности рис. 2.17 работает в режиме класса А, но изменение схемы каскада влечет за собой изменение хода линий нагрузок на выходной характеристике транзистора. Постоянный и переменный коллекторные токи протекают по одним и тем же элементам схемы: трансформатор Тр, источник напряжения ЕК и резистор RЭ. На постоянном токе сопротивление этих элементов мало, в результате чего линия нагрузки по постоянному току проходит практически под прямым углом к оси напряжения коллектор-эмиттер, как показано на рис. 2.18. Сопротивление трансформатора на переменном токе, в основном, определяется коэффициентом трансформации n и сопротивлением нагрузки RН. Поэтому сопротивление цепи, на которую нагружен выход транзистора по переменному току можно считать равным:

R = n R. (2.28)

Его величина существенно больше величины сопротивления цепи, на которую нагружен транзистор по постоянному току. Вследствие этого на рис. 2.18 линия нагрузки по переменному току к оси напряжения коллектор-эмиттер проведена с меньшим углом наклона, чем линия нагрузки по постоянному току.

Рисунок 2.18. Графическое определение мгновенных значений

тока и напряжения выходной цепи транзистора в составе

усилителя мощности с трансформаторным включением нагрузки

На рис. 2.18 выполнены построения, аналогичные проведенным на рис. 2.6. Они позволяют определить амплитуды переменных составляющих коллекторного тока I и напряжения коллектор-эмиттер U . При пренебрежении мощностью потерь в трансформаторе произведение этих амплитуд определяет уровень выходной мощности

Р =. (2.29)

Очевидно, правая часть соотношения (2.29) позволяет говорить о треугольнике мощности, площадь которого пропорциональна мощности на выходе усилителя. На рис. 2.18 площадь этого треугольника выделена штриховкой.

Если не учитывать также потери мощности в пассивных элементах схемы, КПД усилителя:

= . (2.30)

Это соотношение позволяет оценить максимальное значение КПД, которое можно получить в усилителе мощности рассматриваемой схемы. Действительно, в режиме с максимальным КПД при выборе точки покоя в центре рабочей области на выходной характеристике транзистора точка А достигает участка, где происходит резкое увеличение коллекторного тока, а точка В – вольтамперной характеристики для IБ = 0, и, как следует из рис. 2.18,

I І, U Ек. 0,5.

Реальные значения КПД усилителя мощности со схемой рис. 2.17 не превышают 35 – 45 %.

4. Двухтактный усилитель мощности

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью представлена на рис. 2.19. По такой схеме в многокаскадном усилителе обычно выполняется оконечный каскад и на его вход через трансформатор Тр подается напряжение с предоконечного каскада, работа которого рассмотрена в предыдущем разделе.

Рисунок 2.19. Схема двухтактного усилителя мощности

Вторичная обмотка трансформатора Тр имеет отвод от средней точки, так что с крайних отводов этой обмотки на базы транзисторов мгновенные напряжения поступают противоположной полярности относительно средней, нулевой точки. Выбором сопротивления резистора R обеспечивается работа транзисторов в режиме класса В. Усиление в схеме рис. 2.19 происходит в два такта: в течение положительного полупериода входной сигнал усиливается одним транзистором (Т, как показано на рис. 2.19), а в течение отрицательного полупериода – другим транзистором. Графическое представление процесса усиления одним из транзисторов дается рис. 2.20. Линии нагрузок по постоянному и переменному токам проходят так же, как и на рис. 2.18, точка покоя находится на вольтамперной характеристике для IБ = 0. Временная зависимость коллекторного тока транзистора в течение одного такта видна из рис. 2.20. Эти токи транзисторов протекают по входной обмотке трансформатора Тр2, которая также имеет нулевой отвод. Причем токи каждого транзистора, протекающие по своей части этой обмотки, имеют противоположные направления, так что направление тока, протекающего в первичной обмотке трансформатора Тр2, изменяется каждый полупериод входного сигнала. Таким образом, несмотря на то, что каждый транзистор работает в нелинейном режиме, в результате сложения их токов в выходном трансформаторе происходит взаимная компенсация всех гармонических составляющих за исключением основной гармоники, частота которой совпадает с частотой входного сигнала. Этим обеспечивается отсутствие при усилении искажение сигнала.

Рисунок 2.20. Графическое определение мгновенных значений тока

и напряжения выходной цепи транзистора в составе

двухтактного усилителя мощности

Потребляемый двухтактной схемой ток от источника питания Е имеет вид непрерывного ряда импульсов, форма которых показана в левой части рис. 2.20. Амплитуда этих импульсов равна I, а их длительность - полупериоду входного сигнала. Постоянная составляющая потребляемого тока равна среднему значению тока, протекающего через оба транзистора,

кm sin t dt = I кm.

Откуда величина КПД рассматриваемого усилителя:

= = 0,25 . (2.32)

Максимальная величина КПД в режиме без искажения усиливаемого сигнала получается, когда точка А на рис. 2.20 достигнет участка вольтамперной характеристики, где коллекторный переход находится в открытом состоянии. В таком режиме

U Е. 0,785.

Реальное значение КПД двухтактного усилителя мощности не превышает 60 – 70 %, что в 1,5 раза больше, чем в однотактном усилителе.

5. Обратные связи в усилителях

Под обратной связью понимается передача информации с выхода устройства или системы на его или ее вход. В электронных устройствах, в частности, в усилителе она используется для улучшения его показателей или придания ему новых свойств. На рис. 2.23 представлена структурная схема усилителя с обратной связью. Усилитель характеризуется комплексным коэффициентом усиления , а цепь обратной связи – комплексным коэффициентом передачи .

Рисунок 2.23. Структурная схема усилителя с обратной связью

Обратные связи классифицируются по способу передачи выходного сигнала в цепь обратной связи (по току или напряжению) и по способу введения этой цепью сигнала во входную цепь усилителя (параллельное или последовательное). Если выходная нагрузка и вход цепи обратной связи соединены последовательно, как показано на рис. 2. 24.а, то такая связь осуществляется по току, если же они соединены параллельно (рис. 2.24.б) – происходит связь по напряжению. Если цепь, по которой подается сигнал от внешнего источника и выход цепи обратной связи к выходу собственно усилителя подсоединены параллельно, как показано на рис. 2.24.в, то такая обратная связь является параллельной. Если же цепь от внешнего источника и выход цепи обратной связи соединены последовательно (рис. 2.24.г) – обратная связь последовательная.

В случае параллельной обратной связи по напряжению на входе самого усилителя напряжение равно:

= + , (2.37)

Рисунок 2.24. Виды обратных связей в усилителе

а – по току, б – по напряжению,

в – параллельная, г - последовательная

где - напряжение от внешнего источника, - напряжение, поступающее по цепи обратной связи. Если левую и правую части соотношения (2.37) разделить на (напряжение на выходе усилителя), то нетрудно получить

= + , (2.38)

где u = - коэффициент усиления по напряжению собственно усилителя;

uос = - коэффициент усиления по напряжению усилителя, охваченного обратной связью;

= - коэффициент передачи напряжения.

Откуда uос = . (2.39)

Из соотношения (2.39) следует, что наличие обратной связи в усилителе может оказать существенное влияние на величину коэффициента усиления. Это влияние зависит от условий суммирования входного напряжения и напряжения обратной связи на входе усилителя. Наиболее интересны два крайних случая: когда суммирование напряжений происходит в фазе и противофазе. В первом случае, при положительной обратной связи, на входе усилителя напряжения складываются, а в соотношении (2.39) произведение является положительной и вещественной величиной. Во втором случае, при отрицательной обратной связи они вычитаются, и произведение - отрицательная и вещественная величина.

Очевидно, при положительной обратной связи, когда 1 > Кu u > 0, коэффициент усиления усилителя, охваченного петлей обратной связи, становится больше коэффициента усиления собственно усилителя. Если Кu u = 1, Кuос . В этом случае в усилителе устанавливается стационарный генераторный режим, когда выходной сигнал обеспечивается только за счет усиления сигнала, поступающего по цепи обратной связи. Условие Кu u > 1 соответствует установлению в усилителе генераторного режима, т.е. такой режим не будет стационарным.

Случай, когда Кu u < 0, соответствует отрицательной обратной связи, при которой коэффициент усиления становится меньше коэффициента усиления усилителя без обратной связи. Отрицательная обратная связь часто вводится в схему усилителя для достижения стабильности коэффициента усиления (при уменьшении его величины). В этом можно убедиться, продифференцировав соотношение (2.39), записанного для случая отрицательной обратной связи

d Кuос = = .

Деление этого соотношения на соотношение для Ku, записанного для случая отрицательной обратной связи, дает выражение для относительных изменений коэффициентов усиления

= . (2.40)

Откуда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в (1 + Кu u) раз меньше коэффициента усиления усилителя без такой связи.

Аналогичные выводы о влиянии положительной и отрицательной обратной связи можно получить, когда она осуществляется по току. Только в этом случае в соответствующих соотношениях в качестве параметров должны использоваться коэффициент усиления по току и коэффициент передачи тока.

Необходимо отметить, что отрицательная обратная связь используется в схеме усилительного каскада на рис. 2.3 для температурной стабилизации положения точки покоя на выходной характеристике транзистора. Действительно, при наличии резистора R повышение температуры транзистора приводит к уменьшению величины базового тока, в результате чего происходит смещение точки покоя в направлении, противоположном тому, которое получается при повышении температуры (см. разд. 2.5).

Введение отрицательной обратной связи изменяет величину выходного сопротивления усилителя. В этом можно убедиться, если выход усилителя представить в виде эквивалентного источника ЭДС и определить его внутреннее сопротивление с учетом подключения цепи обратной связи. Очевидно, это сопротивление, определяемое как отношение величин напряжения в режиме холостого хода к току короткого замыкания

(2.41)

и является выходным сопротивлением усилителя, охваченного петлей обратной связи.

Для случая отрицательной обратной связи по напряжению входящее в соотношение (2.41) выходное напряжение усилителя в режиме холостого хода можно определить из следующего уравнения:

UВЫХ ХХ = Кu (UВХ – UОС) = Кu (UВХ – uUВЫХ ХХ).

Откуда:

При коротком замыкании UВЫХ КЗ = 0, UОС КЗ = 0, величина ЭДС эквивалентного источника равна Кu UВХ, а ток на выходе усилителя:

где RВЫХ – выходное сопротивление собственно усилителя. После подстановки полученных соотношений в (2.41) получается:

(2.42)

Таким образом, введение отрицательной обратной связи по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в раз.

При обратной связи по току в режиме холостого хода на выходе цепи обратной связи сигнал отсутствует, поскольку выходная цепь усилителя разомкнута. Поэтому на выходе усилителя напряжение

UВЫХ ХХ = UВХ Кu.

В режиме короткого замыкания на выходе усилителя напряжение при обратной связи по току равно UУ. Следовательно, ЭДС эквивалентного источника равна UУКu, а поэтому величина тока:

Напряжение UУ при отрицательной обратной связи

UУ = UВХ - UВЫХ КЗ = UВХ - UУ.

Откуда

UУ =

Поэтому, согласно (2.41):

(),

т.е. при наличии отрицательной обратной связи по току выходное сопротивление усилителя увеличивается.

Величина входного сопротивления усилителя, охваченного петлей обратной связи, зависит от способа подачи сигнала по цепи обратной связи на его вход. Например, при последовательной отрицательной обратной связи соотношение для входного сопротивления можно записать в виде:

(),

где RВХ – входное сопротивление собственно усилителя. Таким образом, введение последовательной отрицательной обратной связи увеличивает входное сопротивление усилителя в () раз.

Многокаскадный усилитель. Эмиттерный повторитель