Раздел 6. Каскады предварительного усиления

В предыдущих темах были рассмотрены одиночные каскады на транзисторах с разными схемами включения и работа усилительного элемента в них. В многокаскадных усилителях такие каскады связаны между собой, а также с источником сигнала и нагрузкой элементами межкаскадных связей различного вида – емкостной, гальванической, трансформаторной. Элементы межкаскадной связи данного каскада с последующим нагружают выходную цепь транзистора данного каскада и влияют на его работу, как и входная цепь следующего каскада. Рассматривая работу каскада в многокаскадном усилителе, необходимо учитывать действие элементов межкаскадной связи и входной цепи следующего каскада.

Прежде, чем перейти к схемам предварительных каскадов, рассмотрим свойства различных видов межкаскадных связей.

Емкостная межкаскадная связь

При емкостной связи выход данного каскада соединяется со входом следующего с помощью конденсатора связи С_с. Этот конденсатор передает сигнал, но не пропускает постоянный ток, поэтому его называют также переходным или разделительным конденсатором.

Поскольку постоянное коллекторное напряжение первого транзистора не передается на базу второго, исходные режимы каскадов не влияют друг на друга. Это упрощает наладку схемы, а также отыскание неисправностей и ремонт усилителя.

Исходные режимы транзисторов создаются с помощью элементов смещения отдельно в каждом каскаде и раздельно стабилизируются. Количество необходимых элементов в схеме за счет этого увеличивается. Необходимость включения в каждом каскаде низкоомного делителя для создания смещения является недостатком емкостной связи еще и потому, что делители шунтируют выход предыдущего каскада, уменьшая его коэффициент усиления, а также потребляют дополнительную энергию от источника питания, снижая КПД устройства.

Емкостное сопротивление возрастает с понижением частоты, на нем теряется часть полезного сигнала, поэтому переходной конденсатор С_с вносит частотные искажения – спад нижних частот. В дальнейшем при рассмотрении частотной характеристики резисторного каскада будет показано, что для уменьшения этих искажений необходимо применять конденсаторы большей емкости. Если используются малогабаритные электролитические полярные конденсаторы, то положительная обкладка должна быть подключена к точке более высокого потенциала.

Гальваническая межкаскадная связь

Простейший вид гальванической связи – непосредственная связь. При непосредственной связи выходной электрод транзистора данного каскада прямо соединяется проводником с входным электродом следующего. В этом случае потенциал базы транзистора VТ2 равен потенциалу коллектора VТ1, следовательно, режимы каскадов зависят друг от друга. Схема получается проще, чем при емкостной связи, так как исключаются конденсаторы связи и делители, создающие смещение в последующих каскадах. В результате отсутствия С_с уменьшаются частотные и фазовые искажения на нижних частотах, повышаются коэффициент усиления и КПД устройства.

Если в усилителе все связи непосредственные, то можно усиливать колебания любой низкой частоты, вплоть до f =0, когда усиливаются изменения постоянной составляющей тока, т.е. получается усилитель постоянного тока.

В усилителях низкой частоты взаимное влияние исходных режимов каскадов приводит к усилению их нестабильности, вызванной повышением температуры или другой причиной. Поэтому особо жесткие требования предъявляются к стабилизации тока коллектора.

Исходный режим первого транзистора создается включением специальных элементов, определяющих величину смещения. Их роль выполняет делитель Rб1 - Rб2 . Для стабилизации режима включен резистор эмиттерной стабилизации Rэ1. В следующем каскаде потенциал базы VТ2 задан потенциалом коллектора предыдущего транзистора, а потенциал эмиттера – напряжением на резисторе Rэ2. При этом смещение вычисляется как разность потенциалов коллектора VТ1 и эмиттера VТ2:

Uбэ02 = Uб02 – Uэ02 , но Uб02 = Uк01 ,

поэтому

Uбэ02 = Uк01 – Uэ02,

где

Uэ02 = Iэ02 Rэ2 ≈ Iк02Rэ2.

Одновременно Rэ2 дает эмиттерную стабилизацию режима.

Если нарушится режим первого транзистора, то изменится и потенциал базы следующего транзистора. Это вызовет еще большее нарушение режима второго транзистора и последующих, так что разладится вся схема усилителя. Настройка и ремонт такого усилителя затрудняются из-за того, режимы каскадов зависят друг от друга.

Вторым недостатком схем с большим числом непосредственно связанных каскадов является необходимость повышать напряжение питания каждого следующего каскада по сравнению с предыдущим. Для этого требуется источник сравнительно высокого постоянного напряжения. Поэтому практически целесообразно использовать непосредственную связь в группах из двух-трех каскадов, а между этими группами применять емкостную связь. Для снижения требуемого напряжения питания используют чередование каскадов ОЭ и ОК и транзисторов разного типа: p-n-p и n-p-n.

В первом случае исключается резистор коллекторной нагрузки между коллектором и плюсом источника питания в третьем каскаде по схеме ОК, так что нет дополнительного падения напряжения на коллекторной нагрузке. Кроме того, каскад по схеме ОК имеет малое выходное сопротивление и дает хорошее согласование выхода этой группы каскадов со входом следующей группы.

Во втором случае меньшее расчетное напряжение питания получается за счет меньшей разности потенциалов между базой и эмиттером второго транзистора p-n-p – типа, требующего противоположной полярности питающих напряжений и включающегося эмиттером к плюсу источника питания. Этот резистор может быть включен как по схеме ОК, так и по схеме ОЭ.

Стабилизация режима в каскадах с непосредственными связями. Если каскад непосредственно связан с предыдущим, то потенциал его базы определяется, как уже говорилось, потенциалом коллектора предыдущего транзистора, и исходный режим изменяется с изменением режима предшествующего каскада в еще большей степени. В связи с этим важное значение для непосредственно связанных каскадов приобретает стабилизация исходного режима. Особенно это важно для первого из этих каскадов. Обычно, кроме эмиттерной стабилизации в каждом каскаде, широко применяется стабилизация режима за счет отрицательной обратной связи по постоянному току, охватывающей два или три каскада.