Многокаскадные усилители

ВВЕДЕНИЕ

В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

рис.1

Коэффициент усиления усилителя можно определить, исходя из структурной схемы (рис.1):

Кобщ = Uвых/Uвх = (Uвых/Un-1) тАж (U3/U2)(U2/Uвх)=KnKn-1тАжK2K1 или

Kобщ = K1K2тАжKn ef(φ1+φ2+тАж+φn)

где K1,тАж, Kn тАУ коэффициенты усиления каскадов, φ1,тАж, φn тАУ фазовые сдвиги, вносимые каждым усилительным каскадом.

Таким образом, для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления

Kобщ = kвхKобщ

где kвх=Zвх/(Zг + Zвх) тАУ коэффициент передачи входной цепи. Если коэффициент усиления отдельных каскадов выразить в логарифмических единицах, то общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет равен сумме коэффициентов

Kобщ[дб] = K1[дб] + тАж + Kn[дб]

В аппаратуре связи для компенсации потери мощности на отдельных участках (затухания) необходимо, чтобы усилитель работал на согласованную нагрузку, т.е. его входное сопротивление должно быть равно сопротивлению источника (выходного сопротивления предыдущего тракта аппаратуры или линии), а выходное сопротивление должно равняться сопротивлению нагрузки. Для согласования усилителей по входу и выходу используют усиВнлители с обратной связью и согласующие трансформаторы. Отклонение от согласования в рабочей полосе частот оценивается коэфВнфициентом отражения

При использовании согласующих трансформаторов пересчитанное сопротивление нагрузки в первичную обмотку RтАЩ1=Rнn2, где птАФ коэффициент трансформатора, т. е. отношение витков первичной обмотки к вторичной (рис. 2, а).

На рис.2,а имеем: U2=U1/n; I2=I1n2, тогда Rн=U2/I2 = (U1/I1)n2

или RтАЩ1 = U1/I1=Rнn2=Rг. Отсюда с учетом потерь в трансформаторе коэффициент трансформации:

где nt тАУ КПД трансформатора.

Применение входного и выходного трансформаторов позволяет достаточно просто осуществить переход с симметричной схемы на несимметричную (рис.2, б).

рис. 2

3. СУММИРОВАНИЕ ИСКАЖЕНИЙ В МНОГОКАСКАДНОМ УСИЛИТЕЛЕ

Коэффициент частотных искажений Mобщ определяется как отношение модуля коэффициента усиления на средней частоте к мо Вндулю коэффициента усиления на рассматриваемой частоте, т. е.

Mобщ = K0общ/Kобщ(ω) = (К01/K1(ω))(K02/K2(ω))тАж(K0n/Kn(ω)).

Следовательно, общий коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений каждого каскада.

Mобщ=М1М2тАжМn

C учетом коэффициента передачи входной и выходной цепей

Мобщ=МвхМ1М2тАжMnMвых

Соответственно отностиельный коэффициент усиления

Yобщ=Y1Y2тАжYn

Для коэффициента частотных искажений и относительного коэффициента усиления усилителя в логарифмических единицах

Mобщ[дб]=M1[дб]+M2[дб]+тАж+Mn[дб]

Yобщ[дб]=Y1[дб]+Y2[дб]+тАж+Yn[дб]

Заданные частотные искажения между каскадами распределяют таким образом, чтобы получить наименьшую стоимость и габаритные размеры усилителя. Наибольшие частотные искажения дают трансфор маторные усилительные каскады. Поэтому на нижней частоте в трансформаторном каскаде коэффициент искажений беВнрут в 2 ..3 раза выше, чем в обычном резисторном каскаде. Для уменьшения размеров переходных конденсаторов при низкой граВнничной частоте диапазона можно применять низкочастотную корВнрекцию. На верхней граничной частоте диапазона звуковых частот частотные искажения могут значительно проявляться только в трансформаторных каскадах, которые можно уменьшить соответВнствующим выбором параметров трансформатора (уменьшением индуктивности рассеяния и межвитковой емкости). В широкопоВнлосных усилителях для получения возможно большего усиления в каждый каскад следует вводить высокочаст отную коррекцию.

В усил ителях импульсных сигналов искажения общей переходной характеристики можно определить по искажениям переходны х характеристик отдельных каскадов. Общее время нарастания

Выброс вершины

Спад плоской вершины

Δи0 общ = Δи вх + Δи1 + тАж+ Δиn

Время установления импульса в усилителях из п каскадов, котоВнрые не имеют выбросов, можно определить по формуле tуст общ ≈ tуст n0,6. В отсутствие выбросов во входной цепи и в каждом каВнскаде выброс многокаскадного усилителя будет отсутствовать. Для усилителей, имеющих каскады с сильно различающимися выброВнсами и временами установления, данные соотношения непригодны. В этом случае необходимо графическим способом построить его переходную характеристику в области малых времен.

Равномерное распределение частотных искажений на высшей рабочей частоте или времени установления между отдельными каВнскадами широкополосного усилителя дает возможность получить наиболее стабильные параметры усилителя, но не является наиболее экономичным. Наибольший экономический эффект можно получить при взаимной коррекции каскадов, т. е. когда искажеВнния по каскадам распределяются неравномерно. Недостаток взаВнимной коррекции каскадов в том, что при изменении параметров усилительных элементов и компонентов, входящих в каскады, чаВнстотные искажения на верхних частотах и время установления изВнменяются сильнее, чем у усилителя с одинаковыми каскадами.

4. НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Коэффициент нелинейных искажений многокаскадного усилиВнтеля в основном определяется последним каскадом, так как амплиВнтуда сигнала на входе оконечного каскада наибольшая. Приближенно коэффициент нелинейных искажений многокаскадного усилителя можно оценить суммированием отдельных коэффициентов гармоник каскадов

где kг2общ = kтАЩг2 + kтАЩтАЩг2 +тАж - суммарный коэффициент нелинейных искажений каскадов во второй гармонике; kг3общ=kтАЩг3+kтАЩтАЩг3 + тАж - суммарный коэффициент нелинейных искажений каскадов по третьей гармонике и т.д.

5. ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

В общем случае собственные помехи или шумы усилителей опВнределяются несколькими факторами, из которых основные: фон, наводки, шумы 'микрофонного эффекта и тепловые шумы. В многоВнкаскадных усилителях происходит суммирование шумов, причем наибольшее значение имеют шумы входной цепи и первых каскаВндов, которые усиливаются последующими каскадами. В правильВнно сконструированном усилителе путем рационального располоВнжения и крепления элементов, фильтрации цепей питания, экраВннирования входных цепей или всего усилителя и т. д. фон, наводВнки и микрофонный эффект можно сделать сколь угодно мальши. Поэтому собственные шумы усилителей в основном определяются тепловыми шумами. Как было показано в гл. 12, собственные шуВнмы усилителя оцениваются с помощью коэффициента шума Кш, равного отношению мощности шума на выходе усилителя к мощВнности теплового шума, создаваемого на выходе источником сигВннала,

Kш=Рш общ вых/Рш ист вых= Рш общ вых/kТПшKр, где Кр тАФ коэффициент усиления у силителя по мощности. КоэффиВнциент шума многокаскадного усилителя определяется как

Кш общ = К ш вх + (Кш1-1)/Кр вх + (Кш2-1)/Кр вх Кр1 + тАж ,

где Кр вх и Kp1тАФ коэффи циенты передачи и усиления по мощности входного устройства и первого каскада усилителя соответственВнно. Коэффициент шума входной цепи Кшвх учитывают для малоВншумящих усилителей, если в качестве входной цепи применен трансформатор или фидер. В этом случае Кшвх=1/Крвх.

Для уменьшения мощности шума на выходе усилителя желаВнтельно иметь максимальный коэффициент усиления по мощности, что можно достичь путем согласования входной и выходной цепей усилителя. Такое согласование в некоторых типах усилителей, осоВнбенно в усилителях проводной связи, достигается с помощью входных и выходных трансформаторов. Снижение шума на выходе усиВнлителя достигается также применением малошумящих усилительВнных элементов на входе и специальными мерами, позволяющими повысить отношение между полезным сигналом и шумом, т.е. применением противошумовой коррекции.

6. ВЫВОДЫ

Коэффициент усиления и коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления и коэффициентов частотных искажений каждого каскада.

Нелинейные искажения многокаскадного усилителя в основном определяются нелинейностью усилительного элемента оконечного каскада.

Коэффициент шума многокаскадного усилителя в основном определяется шумами входной цепи и первого каскада. Для уменьшения шума на выходе усилителя необходимо иметь максимальный коэффициент усиления по мощности, т.е. усилитель должен быть согласован по входу и выходу.

Вместе с этим смотрят:

Многощелевая волноводная антенна
Мобильная связь
Моделирование дискретной случайной величины и исследование ее параметров
Моделирование распределения потенциала в МДП-структуре