7.5. Многокаскадные усилители

При разработке многокаскадных усилителей очень важен выбор типа связи между отдельными усилительными каскадами. Обычно используется гальваническая (непосредственная), емкостная, трансформаторная и оптронная связь. Для низкочастотных усилителей чаще всего используют два первых типа связи. Третий тип применяют значительно реже из-за больших габаритов трансформаторов и их высокой стоимости (трансформаторная связь может быть успешно использована для получения максимального усиления мощности при достаточно высоком КПД). Оптронная связь между каскадами применяется сравнительно редко, только в специальных случаях, когда при низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.

При проектировании многокаскадных усилителей, к которым не предъявляются специальные требования, обычно задают выходную мощность и напряжение, сопротивление нагрузки, допустимый коэффициент гармоник, рабочий диапазон частот, входное напряжение, внутреннее сопротивление источника питания и другие параметры.

При разработке усилительных устройств предусматриваются средства, обеспечивающие защиту его входных цепей от возможных перегрузок при случайном воздействии помех большого уровня, приводящих в лучшем случае к перегрузке усилителя и кратковременной потере его работоспособности. Чаще всего для этого на входе усилителя используется диодный ограничитель (см. гл. 8).

Наиболее ярким примером многокаскадных усилителей являются операционные усилители (ОУ). Их отличие от усилителей, выполненных на дискретных элементах, заключается в основном только в методах изготовления отдельных компонентов схем и технологии изготовления законченных функциональных узлов. Однако в большинстве случаев принципиальные схемы интегральных усилителей выглядят значительно сложнее своих дискретных аналогов. Это объясняется тем, что введение нескольких транзисторов в схему усилителя для незначительного улучшения каких-либо его параметров при интегральной технологии не вызывает затруднений и не оказывает существенного влияния на его стоимость.

Благодаря использованию двухполярного питания ОУ обладает замечательной особенностью, которая позволяет получить близкое к нулю выходное напряжение при отсутствии входного сигнала. Это свойство позволяют подключать к ОУ нагрузку и источники входных напряжений, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющей сигнала.

В составе ОУ как многокаскадного усилителя условно можно выделить входную, выходную части и каскады связи между ними.

Входная часть ОУ содержит дифференциальные усилители. Выходная часть включает каскады усиления мощности и обеспечивает работу ОУ на заданную нагрузку. Каскады связи служат для усиления по напряжению и позволяют осуществить согласование уровней сигнала.

В зависимости от количества каскадов, вносящих основной вклад в получение требуемого коэффициента усиления напряжения, ОУ условно делят на двух- и трехкаскадные. Как правило, предпочтение отдается двухкаскадным ОУ. Они имеют лучшую стабильность параметров, могут работать при значительных изменениях напряжения питания, более экономичны. Для коррекции частотной характеристики в двухкаскадных ОУ используется минимальное количество внешних элементов (необходим лишь один конденсатор малой емкости). Кроме того, в них легко осуществляется регулировка уровня выходного напряжения (установка нуля) с помощью одного потенциометра балансировки.

В многокаскадных усилителях на базу каждого следующего каскада поступает не только полезный сигнал, но и постоянная составляющая напряжения с коллектора предыдущего каскада. Для согласования по постоянной составляющей на входе каждого каскада используются так называемые схемы сдвига уровня.

Простейшей схемой сдвига уровня является эмиттерный повторитель, у которого уровень выходного потенциала (потенциала эмиттера) ниже уровня потенциала базы на величину Е (напряжение эмиттер—база в статическом режиме), а сигнал передается с коэффициентом передачи К=1.

Одна из возможных схем, иллюстрирующая принцип сдвиг уровня с использованием эмиттерного повторителя, показана на рис. 7.17, а. Транзистор VT1, на базу которого подается входной сигнал Ui, выполняет роль эмиттерного повторителя. Транзистор VT2 включен генератором тока, на его базу подается напряжение Us от специальной цепи смещения. Уровень выходного напряжения определяется напряжением Е и падением напряжения на резисторе R1

(7.16)

где ток I, — ток, задаваемый стабилизатором на транзисторе VT2; умножение Е на 2 связано с тем, что в процессе формирования уровня сдвига участвуют двар—п- перехода — транзисторов VT1 и VT3.

Коэффициент передачи по переменной составляющей определяется внутренним сопротивлением стабилизатора тока, которое значительно больше сопротивления резистора R2.

На рис. 7.17,6 показана еще одна схема сдвига уровня, которая отличается наличием дополнительного диода VD, обеспечивающего дополнительный сдвиг напряжения на величину Е. Резистор R1 служит для точной подгонки необходимого уровня сдвига. Достоинством этой схемы является возможность получения любого уровня сдвига за счет использования N включенных последовательно диодов, при этом выражение (7.16) может быть записано в следующем виде: Uo=Ui-(N+2)E-I,Rl.

В качестве примера применения рассмотренных в этой главе отдельных элементов на рис. 7.18 показана схема одного из первых отечественных ОУ серии 140УД1.

Первый каскад ОУ 140УД1состоит из ДУ на транзисторах VT1, VT2 с генератором тока в цепи эмиттера на транзисторе VT3. Температурная стабилизация тока осуществляется транзистором VT4. Второй каскад на транзисторах VT5 и VT6 гальванически связан с выходами первого. На выходе усилителя включены два эмиттерных повторителя на транзисторах VT7 и VT9. Каскад на транзисторе VT8 осуществляет сдвиг уровня постоянного напряжения.

Операционные усилители этой серии выпускаются двух типов, рассчитанных на различные питающие напряжения: К140УД1А — на 6,3 В (Р„,=45 мВт) и К140УД1Б — на 12,6 В (Р„„=170 мВт).

Подключение корректирующих элементов осуществляется между контактами 1 и 12 или 9 и 12 в зависимости от условий применения. Выбор емкости корректирующей емкости зависит от реализуемого усиления, при этом ОУ обладает различной полосой пропускания. Минимальное сопротивление нагрузки усилителя Rn=5 кОм.

На схеме рис. 7.18 ОУ включен по схеме инвертирующего усилителя без каких-либо элементов коррекции (в данном случае использованы транзисторы типа Ideal). Коэффициент усиления напряжения равен Ku=Ros/Ri=5, что подтверждается осциллографическими измерениями, результаты которых приведены на рис. 7.19.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое схема сдвига уровня, в усилителях какого типа она используется?

2. По какой схеме выполнен выходной каскад ОУ на рис. 7.18?

3. Рассчитайте коэффициент усиления схемы на рис. 7.18 при Ros=l и 10 кОм. Результаты расчета проверьте моделированием.

4. При моделировании схемы на рис. 7.18 поменяйте по очереди все транзисторы, начиная с выходного каскада, на транзисторы типа 2N222 из библиотеки 2п, проверяя после каждой замены работоспособность схемы. Напомним, что отмена введенных изменений производится командой Revent to Saved из меню File.