Многокаскадный усилитель — это электронный усилитель, состоящий из двух или более однокаскадных усилителей, соединенных вместе. В этом контексте однокаскадный усилитель — это усилитель, содержащий только один транзистор (иногда пару транзисторов) или другое активное устройство. Наиболее распространенной причиной использования нескольких каскадов является увеличение усиления усилителя в приложениях, где входной сигнал очень мал, например, в радиоприемниках . В этих приложениях один каскад сам по себе имеет недостаточное усиление. В некоторых конструкциях можно получить более желательные значения других параметров, таких как входное сопротивление и выходное сопротивление .
Самая простая и наиболее распространенная схема соединения — каскадное соединение идентичных или подобных каскадов, образующих каскадный усилитель . [1] При каскадном соединении выходной порт одного каскада соединен с входным портом следующего. Обычно отдельные каскады представляют собой биполярные транзисторы с общим эмиттером (BJT) или полевые транзисторы (FET) с общим источником . Существуют некоторые приложения, где предпочтительнее конфигурация с общей базой . Общая база имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, но не имеет коэффициента усиления по току. Она используется в УВЧ -теле- и радиоприемниках, поскольку ее низкое входное сопротивление легче согласовать с антеннами, чем общий эмиттер. В усилителях, которые имеют дифференциальный вход и должны выводить дифференциальный сигнал, каскады должны быть дифференциальными усилителями, такими как пары с длинными хвостами . Эти каскады содержат два транзистора для обработки дифференциальной сигнализации .
Более сложные схемы могут использоваться с различными каскадами, имеющими различные конфигурации, чтобы создать усилитель, характеристики которого превосходят характеристики однокаскадного по нескольким различным параметрам, таким как усиление, входное сопротивление и выходное сопротивление . [2] Конечный каскад может быть конфигурацией с общим коллектором, чтобы действовать 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 производительность усилителя. Иногда встречается каскодное соединение (каскад с общим эмиттером, за которым следует каскад с общей базой). Аудиоусилители мощности обычно имеют двухтактный выход в качестве конечного каскада.
Пара транзисторов Дарлингтона — еще один способ получения высокого усиления по току. В этом соединении эмиттер первого транзистора питает базу второго с обоими общими коллекторами. В отличие от каскада с общим коллектором, пара Дарлингтона может иметь как усиление по напряжению, так и усиление по току. Пара Дарлингтона обычно рассматривается как один каскад, а не как два отдельных каскада. Она подключается так же, как и один транзистор, и часто упаковывается как одно устройство.
К усилителю может быть применена общая отрицательная обратная связь. Это снижает усиление напряжения, но имеет несколько желательных эффектов: входное сопротивление увеличивается, выходное сопротивление уменьшается, а полоса пропускания увеличивается.
Сложность расчета усиления каскадных каскадов заключается в неидеальной связи между каскадами из-за нагрузки. Показаны два каскадных каскада с общим эмиттером. Поскольку входное сопротивление второго каскада образует делитель напряжения с выходным сопротивлением первого каскада, общий коэффициент усиления не является произведением отдельных (разделенных) каскадов.
Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя представляет собой произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов (без учета возможных эффектов нагрузки ):
С другой стороны, если усиление каждого каскада усилителя выражено в децибелах (дБ), то общее усиление представляет собой сумму усилений отдельных каскадов:
Существует ряд вариантов метода соединения каскадов усилителя вместе. В усилителе с прямой связью , как следует из названия, каскады соединены простыми проводниками между выходом одного каскада и входом следующего. Это необходимо, когда усилитель должен работать на постоянном токе, например, в инструментальных усилителях , но имеет несколько недостатков. Прямое соединение приводит к тому, что цепи смещения соседних каскадов взаимодействуют друг с другом. Это усложняет конструкцию и приводит к компромиссам по другим параметрам усилителя. Усилители постоянного тока также подвержены дрейфу, требующему тщательной настройки и высокой стабильности компонентов.
Если усиление постоянного тока не требуется, то обычным выбором является RC-связь . В этой схеме конденсатор последовательно подключается между выходами и входами каскада. Поскольку конденсатор не пропускает постоянный ток, смещения каскада не могут взаимодействовать. Выход усилителя не будет дрейфовать от нуля, когда нет входа. Емкость (C) конденсатора и входное и выходное 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 аудиоусилителей это значение может быть относительно большим, но на радиочастотах это небольшой компонент незначительной стоимости по сравнению с общим усилителем.
Трансформаторная связь является альтернативной связью переменного тока. Как и RC-связь, она изолирует постоянный ток между каскадами. Однако трансформаторы громоздки и намного дороже конденсаторов, поэтому используются реже. Трансформаторная связь вступает в свои права в настроенных усилителях . Индуктивность обмоток трансформатора служит в качестве индуктора настроенной LC-цепи . Если настроены обе стороны трансформатора, это называется усилителем с двойной настройкой . Ступенчатая настройка — это когда каждый каскад настроен на разную частоту , чтобы улучшить полосу пропускания за счет усиления .
Оптическая связь достигается с помощью оптоизоляторов между каскадами. Они имеют преимущество 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. Она также может использоваться для обеспечения сбалансированного перехода в несбалансированный .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )