Многокаскадный усилитель - Multistage amplifier
Многоступенчатый усилитель представляет собой электронный усилитель , состоящий из двух или более одноступенчатый усилителей , соединенных между собой. В этом контексте одиночный каскад - 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 не имеет достаточного усиления. В некоторых конструкциях можно получить более желательные значения других параметров, таких как входное сопротивление и выходное сопротивление .
Схемы подключения
Самая простая и наиболее распространенная схема подключения - это каскадное соединение идентичных или похожих каскадов, образующих каскадный усилитель . При каскадном подключении выходной порт одного каскада соединяется с входным портом следующего. Обычно отдельные каскады представляют собой транзисторы с биполярным переходом (BJT) с общей конфигурацией эмиттера или полевые транзисторы (FET) с общей конфигурацией источника . В некоторых приложениях предпочтительна стандартная базовая конфигурация. Общая база имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, но без усиления по току. Он используется в телевизионных и радиоприемниках УВЧ, потому что его низкое входное сопротивление легче согласовать с антеннами, чем с обычным излучателем. В усилителях, которые имеют дифференциальный вход и требуются для вывода дифференциального сигнала, каскады должны быть дифференциальными усилителями, такими как пары с длинными хвостовиками . Эти каскады содержат два транзистора для дифференциальной передачи сигналов .
Можно использовать более сложные схемы с различными каскадами, имеющими разные конфигурации, для создания усилителя, характеристики которого превышают характеристики одноступенчатого каскада по нескольким различным параметрам, таким как усиление, входное сопротивление и выходное сопротивление . Последним каскадом может быть общий коллектор, который действует как буферный усилитель . Каскады с общим коллектором не имеют 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. Каскода соединение (общий этап эмиттера с последующим общей базовой стадией) иногда встречаются. Усилители мощности звука обычно имеют двухтактный выход в качестве заключительного каскада.
К усилителю может быть приложена общая отрицательная обратная связь. Это снижает усиление напряжения, но дает несколько желаемых эффектов; входное сопротивление увеличивается, выходное сопротивление уменьшается, а полоса пропускания увеличивается.
Общий выигрыш
Сложность при расчете усиления каскадных каскадов связана с неидеальной связью между каскадами из-за нагрузки. Показаны два каскадных каскада с общим эмиттером. Поскольку входное сопротивление второй ступени образует делитель напряжения с выходным сопротивлением первой ступени, общий коэффициент усиления не является произведением отдельных (разделенных) ступеней.
Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов (без учета возможных эффектов нагрузки ):
- Коэффициент усиления (A) = A 1 * A 2 * A 3 * A 4 * ... * A n .
В качестве альтернативы, если коэффициент усиления каждого каскада усилителя выражен в децибелах (дБ), общий коэффициент усиления представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов:
- Усиление в дБ (A) = A 1 + A 2 + A 3 + A 4 + ... A n
Межступенчатая муфта
Существует несколько способов соединения усилительных каскадов друг с другом. В усилителе с прямой связью , как следует из названия, каскады соединены простыми проводниками между выходом одного каскада и входом следующего. Это необходимо там, где требуется, чтобы усилитель работал на постоянном токе, например, в инструментальных усилителях , но имеет ряд недостатков. Прямое соединение заставляет цепи смещения соседних цепей взаимодействовать друг с другом. Это усложняет конструкцию и приводит к компромиссу по другим параметрам усилителя. Усилители постоянного тока также подвержены дрейфу, требующему тщательной настройки и компонентов с высокой стабильностью.
Там, где усиление постоянного тока не требуется, обычно выбирают RC-соединение . В этой схеме конденсатор включен последовательно между выходами и входами каскада. Поскольку конденсатор не пропускает постоянный ток, смещения каскадов не могут взаимодействовать друг с другом. Выход усилителя не будет отклоняться от нуля при отсутствии входа. Емкости (С) конденсатора и входных и выходных сопротивлений ступеней образуют цепь RC . Это действует как грубый фильтр верхних частот . Емкость конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы этот фильтр пропускал самую низкую интересующую частоту. Для звуковых усилителей это значение может быть относительно большим, но на радиочастотах это небольшой компонент с незначительной стоимостью по сравнению с усилителем в целом.
Трансформаторная муфта - это альтернатива связи по переменному току. Как и RC-соединение, он изолирует постоянный ток между ступенями. Однако трансформаторы более громоздкие и намного более дорогие, чем конденсаторы, поэтому используются реже. Трансформаторная связь применяется в настроенных усилителях . Индуктивность из трансформатора обмоток служит в качестве индуктора в качестве LC колебательного контура . Если обе стороны трансформатора настроены, это называется двойным настроенным усилителем . Поэтапная настройка - это когда каждый каскад настраивается на разную частоту , чтобы улучшить полосу пропускания за счет усиления .
Оптическая связь достигается с помощью оптоизоляторов между ступенями. Их преимущество заключается в обеспечении полной гальванической развязки между ступенями, что обеспечивает изоляцию по постоянному току и позволяет избежать взаимодействия между ступенями. Оптическая изоляция иногда выполняется из соображений электробезопасности. Его также можно использовать для обеспечения перехода от сбалансированного к несбалансированному .