Многокаскадный усилитель

Упрощенная схема 2-каскадного каскадного усилителя

— Многокаскадный усилитель это электронный усилитель, состоящий из двух или более однокаскадных усилителей, соединенных вместе. В этом контексте однокаскадный — это усилитель, содержащий только один транзистор (иногда пару транзисторов) или другое активное устройство. Наиболее распространенной причиной использования нескольких каскадов является увеличение коэффициента усиления усилителя в приложениях, где входной сигнал очень мал, например, в радиоприемниках . В этих приложениях один каскад сам по себе имеет недостаточный коэффициент усиления. В некоторых конструкциях можно получить более желательные значения других параметров, таких как входное сопротивление и выходное сопротивление .

Схемы подключения

Самая простая и распространенная схема подключения представляет собой каскадное соединение одинаковых или схожих каскадов, образующих каскадный усилитель . При каскадном соединении выходной порт одного каскада подключается к входному порту следующего. Обычно отдельные каскады представляют собой транзисторы с биполярным переходом (BJT) в конфигурации с общим эмиттером или полевые транзисторы (FET) в конфигурации с общим истоком . В некоторых приложениях общая базовая предпочтительна конфигурация. Общая база имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, но не имеет коэффициента усиления по току. Он используется в теле- и радиоприемниках УВЧ , поскольку его низкое входное сопротивление легче согласовать с антеннами, чем с общим эмиттером. В усилителях, которые имеют дифференциальный вход и должны выводить дифференциальный сигнал, каскады должны представлять собой дифференциальные усилители, такие как пары с длинным хвостом . Эти каскады содержат два транзистора для дифференциальной передачи сигналов .

Можно использовать более сложные схемы с разными каскадами, имеющими разную конфигурацию, для создания усилителя, характеристики которого превосходят характеристики однокаскадного по нескольким различным параметрам, таким как усиление, входное сопротивление и выходное сопротивление . Последний каскад может иметь конфигурацию с общим коллектором и действовать как буферный усилитель . Ступени с общим коллектором не имеют коэффициента усиления по напряжению, но имеют высокий коэффициент усиления по току и низкое выходное сопротивление. Таким образом, нагрузка может потреблять большой ток , не влияя на характеристики усилителя. ) . Иногда встречается каскодное соединение (стадия с общим эмиттером, за которой следует ступень с общей базой Усилители мощности звука обычно имеют двухтактный выход в качестве конечного каскада.

Пара транзисторов Дарлингтона — еще один способ получить высокий коэффициент усиления по току. При этом эмиттер первого транзистора питает базу второго при обоих общих коллекторах. В отличие от каскада с общим коллектором, пара Дарлингтона может иметь усиление по напряжению, а также усиление по току. Пара Дарлингтона обычно рассматривается как одна стадия, а не как две отдельные стадии. Он подключается так же, как и одиночный транзистор, и часто упаковывается как единое устройство.

К усилителю может быть применена общая отрицательная обратная связь. Это снижает коэффициент усиления по напряжению, но имеет несколько желательных эффектов; Входное сопротивление увеличивается, выходное сопротивление уменьшается, а полоса пропускания увеличивается.

Общий выигрыш

Сложностью расчета коэффициента усиления каскадных каскадов является неидеальная связь между каскадами из-за нагрузки. Показаны две каскадные ступени с общим эмиттером. Поскольку входное сопротивление второго каскада образует делитель напряжения с выходным сопротивлением первого каскада, общий коэффициент усиления не является произведением отдельных (отдельных) каскадов.

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов (без учета потенциальных эффектов нагрузки ):

Усиление (A) = A ₁ * A ₂ *A ₃ *A ₄ *... *A _n .

Альтернативно, если коэффициент усиления каждого каскада усилителя выражен в децибелах (дБ), общий коэффициент усиления представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Усиление в дБ(А) = А ₁ + А ₂ + А ₃ + А ₄ + ... А _н

Межступенчатая связь

Существует несколько вариантов способа соединения каскадов усилителя. В усилителе с прямой связью , как следует из названия, каскады соединяются простыми проводниками между выходом одного каскада и входом следующего. Это необходимо там, где усилитель должен работать на постоянном токе, например, в инструментальных усилителях . но имеет ряд недостатков. Непосредственное соединение приводит к взаимодействию цепей смещения соседних каскадов друг с другом. Это усложняет конструкцию и приводит к компромиссам по другим параметрам усилителя. Усилители постоянного тока также подвержены дрейфу, требующему тщательной настройки и использования компонентов с высокой стабильностью.

Если усиление постоянного тока не требуется, обычно выбирают RC-связь . В этой схеме конденсатор включен последовательно между выходами и входами каскада. Поскольку конденсатор не пропускает постоянный ток, смещения каскада не могут взаимодействовать. Выход усилителя не будет дрейфовать от нуля при отсутствии входного сигнала. Емкость (С) конденсатора и входные и выходные сопротивления каскадов образуют RC-цепь . Это действует как грубый фильтр верхних частот . Значение конденсатора должно быть достаточно большим, чтобы этот фильтр пропускал самую низкую интересующую частоту. Для усилителей звука это значение может быть относительно большим, но на радиочастотах это небольшая составляющая незначительной стоимости по сравнению с усилителем в целом.

Трансформаторная связь является альтернативой связи переменного тока. Как и RC-связь, она изолирует постоянный ток между каскадами. Однако трансформаторы более громоздки и намного дороже, чем конденсаторы, поэтому используются реже. Трансформаторная связь играет свою роль в настроенных усилителях . Индуктивность настроенной трансформатора обмоток служит дросселем цепи LC . Если обе стороны трансформатора настроены, это называется усилителем с двойной настройкой . Ступенчатая настройка заключается в том, что каждый каскад настраивается на разную частоту , чтобы улучшить полосу пропускания за счет усиления .

Оптическая связь достигается с помощью оптоизоляторов между каскадами. Их преимущество заключается в обеспечении полной электрической изоляции между каскадами, что обеспечивает изоляцию постоянного тока и позволяет избежать взаимодействия между каскадами. Оптическая изоляция иногда выполняется из соображений электробезопасности. Его также можно использовать для обеспечения сбалансированного перехода к несбалансированному .