В условиях практики приходится иметь дело с многокаскадными усилителями, так как один каскад обычно не обеспечивает необходимого усиления входного сигнала. При последовательном соединении отдельных каскадов изменяются параметры каждого из них и всего усилителя в целом. При осуществлении многокаскадных усилителей иногда между двумя каскадами, собранными по схеме с общим эмиттером, включают каскад с общим коллектором, который имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления.
Такое мероприятие дает возможность увеличить сопротивление нагрузки для первого каскада и уменьшить сопротивление источника сигнала для второго каскада, собранных по схеме с общим эмиттером. Усиление в этом случае оказывается более высоким, чем при непосредственном соединении двух каскадов с общим эмиттером, но меньшим чем при использовании каскадов усиления, каждый из которых собран по схеме с общим эмиттером.
 |
Рассмотрим схему двухкаскадного усилителя с RC-связью. При этом наиболее выгодным является включение всех транзисторов по схеме с общим эмиттером, так как в каждом каскаде меньше различие между входным и выходным сопротивлениями и в целом обеспечивается наибольшее усиление по мощности. На рис. 187, а, б приведены соответственно электрическая схема двухкаскадного усилителя и его эквивалентная схема в области средних частот. Элементы схемы и параметры, относящиеся к транзистору Т1, обозначены одним штрихом, а к транзистору Т2 — двумя штрихами. Рис. 187. Схема двухкаскадного усилителя низкой частоты на транзисторах с непосредственной связью между каскадами (а) и его эквивалентная схема (б); эквивалентная схема усилителя с трансформаторной связью (в). |
Из эквивалентной схемы видно, что сопротивлением нагрузки R"н транзистора Т2 является параллельное соединение R"к и Rн, а транзистор Т1 нагружен на сопротивление R'н, образованное параллельным соединением сопротивлений R'к, R"1,R'2 и Rвх. Воспользовавшись формулами, приведенными здесь, можно рассчитать:
а) входные сопротивления первого и второго каскадов
б) коэффициенты усиления по току первого и второго каскадов
Коэффициент усиления по току всего усилителя
Кiус = K'iK"i
Так как произведение h22Rн много меньше единицы, то приближенно можно считать
Кiус ≈ h'21 ≈ h"21.
Общее усиление по току будет значительно большим, чем у одиночного каскада, так как h21 в большинстве случаев больше 20. К подобному же выводу можно прийти, анализируя выражения для коэффициентов усиления по напряжению и по мощности:
Коэффициент усиления по мощности в двухкаскадном усилителе получается примерно в два раза больше, чем у одиночного каскада.
Наиболее выгодный режим работы многокаскадного усилителя можно обеспечить при согласовании усилителя как со стороны входа, так и со стороны выхода. Для этого должны быть известны его входное и выходное сопротивления.
Входное сопротивление рассматриваемого двухкаскадного усилителя представляет собой параллельное соединение сопротивлений делителя /R'1, R'2 и входного сопротивления R'вх. Выходное сопротивление усилителя можно рассчитать по формуле
где R"вых — выходное сопротивление транзистора T2, определяемое формулой
где R"г — сопротивление источника сигнала второго транзистора, представляющее собой параллельное соединение сопротивлений R'к, R"1, R"2, R'вых.
Выходное сопротивление первого транзистора R'вых определяется формулой
где R'г — сопротивление источника сигнала первого транзистора, представляющее собой параллельное соединение сопротивлений Rг, R'1, R'2.
Общий коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен
Kр (дб) = 10 lg K'р+10 lgK"р
Таким образом, схемы многокаскадных усилителей с RC-связью, выполненные по схеме с общими эмиттерами, имеют большой коэффициент усиления по мощности (в действительности величина Кр будет несколько меньше, так как при расчете не учитывались потери мощности на сопротивлениях R"к, R'к и в цепях связи между транзисторами). Эти усилители не требуют применения специальных мер согласования сопротивления нагрузки со входом следующего каскада и поэтому нашли широкое распространение.
При рассмотрении работы двухкаскадного транзисторного усилителя, у которого оба каскада работают по схеме с общей базой, можно, исходя из приближенного равенства Kiус≈h'22h"21, убедиться, что при непосредственной связи между каскадами усиление по току у этого усилителя получается меньше, чем у однокаскадного, так как h21<1. При таком включении транзисторов удовлетворительное усиление можно получить лишь при согласовании входных и выходных сопротивлений отдельных каскадов при помощи согласующих трансформаторов. Усилительные устройства, выполненные на транзисторах, имеют малые габаритные размеры, поэтому и согласующие трансформаторы тоже должны быть малы. Но чем меньше трансформатор, тем хуже частотная характеристика, особенно в области нижних частот.
Частотные искажения в области нижних частот зависят от индуктивности первичной обмотки, которая прямо пропорциональна сечению сердечника и обратно пропорциональна толщине воздушного зазора. При малом сечении сердечника трансформатора для получения большей индуктивности L1 приходится уменьшать воздушный зазор, что приводит к опасности насыщения сердечника даже небольшими токами. Поэтому постоянный ток в первичной обмотке должен быть по возможности малым.
На форму частотной характеристики в области верхних частот оказывает влияние главным образом выходная емкость транзистора; индуктивность же рассеяния и междувитковая емкость обмоток трансформатора вызывают частотные искажения лишь в области самых верхних частот. Такие трансформаторы имеют равномерную стотиую характеристику вплоть до 30—35 кгц.
На рис. 187, в приведена схема двухкаскадного усилителя с трансформаторной связью. Для получения максимального усиления по мощности внутреннее сопротивление источника сигнала Rг должно быть равно полному входному сопротивлению транзистора Т1, к выходу которого подсоединено сопротивление нагрузки Rн, равное полному выходному сопротивлению транзистора:
Решив два последних уравнения совместно, получим; для входного характеристического сопротивления:
для выходного характеристического сопротивления
Коэффициент трансформации входного трансформатора равен
Коэффициент трансформации выходного трансформатора равен
Коэффициент трансформации промежуточного трансформатора
К. п. д. трансформаторов можно считать равными единице и при расчете не учитывать.
Максимальный коэффициент усиления по мощности при полном согласовании рассчитывается по формуле
(355)
При включении транзисторов по схеме с общей базой выходная емкость Свых составляет обычно десятки пикофарад. При включении по схеме с общим эмиттером эта емкость может доходить до нескольких тысяч пикофарад.
Наибольшая верхняя частота, при которой усиление одной усилительной ступени падает на 3 дб из-за влияния емкости транзистора, рассчитывается по формуле
Если Fмакс < Fмакс.зад, то это означает, что из-за влияния выходной емкости транзистора нельзя добиться необходимого усиления в области верхних частот путем согласования сопротивлений.
