Каскады усиления мощности (УМ) на биполярных транзисторах 

Все предварительные транзисторные каскады, усиливая сигнал по току и напряжению, фактически усиливают его и по мощности, но основным каскадом в многокаскадном усилителе, который отдает полезную выходную мощность необходимой величины в нагрузку, при допустимых нелинейных искажениях сигнала, является последний выходной каскад, называемый каскадом усиления мощности.

Аналогично ранее рассмотренным ламповым вариантам различают однотактные каскады УМ, работающие в режиме класса А, и двухтактные каскады УМ, которые могут работать в режимах классов А, В, АВ при соответствующих КПД.

Из электротехники известно, что любой генератор тока или напряжения отдает максимально возможную мощность в нагрузку при условии равенства его внутреннего сопротивления с сопротивлением нагрузки. Учитывая это обстоятельство и имея в виду, что большинство исполнительных механизмов, потребляющих полезную выходную мощность каскада УМ, обладают небольшой величиной сопротивления, их включают в выходную цепь каскада УМ при помощи выходного трансформатора, который согласует малую величину сопротивления нагрузки со значительно большим выходным сопротивлением каскада.

При таком согласовании сопротивление нагрузки R_н, включенной во вторичную обмотку выходного трансформатора, пересчитывается в приведенное сопротивление R_экв его первичной обмотки по следующей формуле:

R_экв = n² * R_н, где коэффициент трансформации

�а с учетом КПД трансформатора, равного h_тр = 0.8 — 0.98; n²R_н= = h_тр * R_экв;

В тех случаях, когда R_н R_экв, то нагрузку можно включать в выходную коллекторную цепь однотактного усилительного каскада УМ без согласующего трансформатора. 

1.9.1. Однотактный каскад УМ.

Однотактные каскады УМ дают возможность получить полезную выходную мощность в подключенной нагрузке от долей ватта до 2 - 3 Вт.

Типовая схема такого каскада УМ с выходным трансформатором приведена на рис. 1.9.1, а. Ввиду того, что первичная обмотка выходного трансформатора имеет небольшое омическое сопротивление постоянному току I_ко, в режиме покоя при U_вх = 0 почти все напряжение источника питания Е_к приложено к коллектору транзистора и равно

Е_к = U_кэ0 + I_э0 * R_э + I_к0 * r_{1 трансф} � (1.1 - 1.25) * U_кэ0.

Поэтому нагрузочная линия по постоянному току проходит через рабочую точку под углом , значительно большим, чем нагрузочная линия для переменного тока, соответствующая динамическому режиму работы каскада������ (рис. 1.9.1, в). Наличие входного сигнала U_вх = U_mвх * sinwt и базового тока i_б = I_б0 + I_mб * sinwt вызывает в выходной цепи каскада пульсирующий ток коллектора�� i_к = I_к0 + I_mк * sinwt и пульсирующее напряжение на коллекторе���� u_к = U_кэ0 + U_mк * sin(wt - p), отстающее по фазе на 180� от фазы входного напряжения в схеме с ОЭ.

нагрузки i_н=I_mн*sinwt, выделяя в нагрузке необходимую полезную мощность усиленного сигнала

�Р_вых = 0,5 * I_mк * U_mк = 0,5 * I_mк² *R_{экв к-да} = 0,5 * I_mн² * R_н.

Коэффициент полезного действия транзисторного каскада УМ

h = (Р_вых / Р₀) * 100% < 45%, где Р₀ = I_к0 * Е_к.

Коэффициент усиления по мощности каскада УМ��������

К_р = Р_вых / Р_вх.

�Рис 1.9.1. Схема транзисторного однотактного каскада УМ с ОЭ:

а - с выходным трансформатором; б - с обмоткой э/м реле в коллекторной цепи; в - графический анализ работы этого каскада УМ в режиме класса А

При этом индуктируемая ЭДС во вторичной обмотке трансформатора создает ток

С учетом КПД трансформатора выходная мощность каскада УМ в режиме класса А ограничивается величиной

P_вых = P_{доп трапз} * h_трасф

Р_{доп транз} = Р_вых / h_транз

1.9.2 Двухтактный каскад УМ на биполярных транзисторах с переходным и выходным трансформаторами.

Двухтактные каскады УМ, которые могут работать в режимах классов А, АВ, В, дают возможность получать полезную выходную мощность в нагрузке в два и в несколько раз больше, чем однотактные каскады УМ. При этом уменьшаются нелинейные искажения, а также влияние внешних помех, снижается фон переменного тока источника питания и т. п.

В этих каскадах УМ постоянные составляющие, а также четные гармоники коллекторных токов обоих транзисторов� протекают по одинаковым полуобмоткам первичной обмотки трансформатора навстречу друг другу и, взаимно компенсируясь, не намагничивают сердечник. Это позволяет уменьшить габариты, массу и стоимость трансформатора.

Суммарный ток обоих транзисторов, равный току источника питания, не содержит первой гармоники, что устраняет паразитную обратную связь через цепь источника питания.

При работе в более экономичных режимах классов АВ1 или В значительно повышается КПД двухтактного каскада УМ. При этом транзисторы могут включаться по схемам с ОЭ, ОБ или ОК.

Наибольший коэффициент усиления по мощности получается при включении транзисторов по схеме с ОЭ, что требует меньшей мощности входного сигнала, отбираемого от каскада предварительного усиления, который может собираться или с переходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку со средней точкой, или по схеме с разделенной нагрузкой, обеспечивающей фазоинвертирование сигнала, подаваемого на базы выходных транзисторов, без переходного фазоинвертирующего трансформатора.

 Рис. 1.9.2. Схема транзисторного двухтактного каскада УМ с ОЭ, с автоматическим смещением в классе АВ1 (а); то же, но без автоматического смещения в классе В (б); график работы одного плеча этого каскада УМ в классе В (в); диаграммы напряжений и токов в цепях такого каскада в классе АВ1 (г)

 При включении транзисторов по схеме с ОБ получается небольшой коэффициент усиления по мощности и требуется большей величины ток на выходе каскада предварительного усиления, так как выходным током мощных транзисторов в схеме каскада УМ с ОБ служат их эмиттерные токи. Входные сопротивления транзисторов в схеме с ОБ имеют малую величину, поэтому выходной двухтактный каскад УМ подключается к каскаду предварительного усиления при помощи переходного фазоинвертирующего трансформатора.

На рис. 1.9.2, а приведена типовая схема с ОЭ двухтактного каскада УМ, которая может работать в режимах классов А или АВ. При работе в режиме класса В резисторы R₁ и R₂ не включаются, так как в этом режиме U_бэ0 = 0, то есть транзисторы работают без напряжения смещения (рис. 1.9.2, б, в). Графическое пояснение принципа работы двухтактного каскада УМ в режиме класса АВ1 показано на рис. 1.9.2, г.

Расчет двухтактной схемы УМ проводится графоаналитическим методом только для одного плеча, аналогично расчету однотактного каскада УМ. При этом необходимо расчетную величину полезной мощности Р_вых, для каждого плеча взять равной половине заданной полезной мощности, выделяемой в нагрузке Р_н, то есть

Р_вых = Р_н / 2 = I_mк U_mк / 4

С учетом коэффициента трансформации и КПД трансформатора h_тр полезная выходная мощность каждого плеча будет определяться выражением:

Р_вых × h_тр = Р_н / 2 = I_mк U_mк / (2 × 2) = I²_mк R_экв / 4,

где R_экв = n² R_н , n = W₁ / 2W₂ ;

W₁ / 2 - число витков полуобмотки первичной обмотки трансформатора;

R_экв - приведенное сопротивление нагрузки к одной первичной полуобмотке выходного трансформатора; величину напряжения источника питания в режиме классов АВ1 или В выбирают из расчета

Е_к � 0.6 * U_{m вых} � (1.1 - 1.25)U_{кэ 0}.

В таких двухтактных схемах УМ можно получить полезную выходную мощность в нагрузке Р_вых � 3Р_{к макс доп} при заданной рабочей температуре. Коэффициент полезного действия такого каскада УМ в режиме класса В достигает� h_э = Р_вых * 100%� /� Р₀� � � 45 - 60%. 

1.9.3. Двухтактный каскад УМ с предварительным парафазным, то есть фазоинверсным, каскадом с разделенной нагрузкой.

Принципиальная электрическая схема такого усилительного каскада УМ приведена на рис. 1.9.3. В такой схеме двухтактный каскад УМ подключается вместо переходного фазоинверсного трансформатора со средней точкой к предварительному фазоинверсному каскаду на транзисторе с общим эмиттером, нагрузка которого разделена на две почти равные части R_к � R_э. . Так как эмиттерный ток I_э = = I_к + I_б немного больше тока коллектора I_к, то величину сопротивления резистора R_к выбирают немного больше сопротивления эмиттерного резистора R_э.

В этой схеме усилителя величина каждого сопротивления резисторов R1 и R2, R5 и R6 в цепях делителей напряжения рассчитывается, исходя из необходимой величины напряжения смещения, подаваемого на базы транзисторов, для выбора рабочей точки в режиме класса А для фазоинверсного каскада и в режиме класса АВ1 для каскада УМ.

В схеме включают R3 = R4; С₂ = С₃ = единицы - десятки мкФ. Резистор R_э, не зашунтированный конденсатором, создает последовательную отрицательную обратную связь не только по постоянной составляющей эмиттерного тока, что стабилизирует положение рабочей точки при изменении температуры, но и по переменной его составляющей, что уменьшает коэффициент усиления предварительного каскада по напряжению в 1+ gК_u раз, то есть

�К_{u (ooc)} = К_u / (1+ gК_i ) , где g = U_oc / U_вых — коэффициент передачи напряжения обратной связи;

�К_u — коэффициент усиления каскада по напряжению без обратной связи:

К_u �= bR_к / R_{вх к-да} ; R_{вх к-да} = R_б || r_{вх тр-ра} (без обр. св.),

где R_б = R1 || R2.

Хотя фазоинверсный каскад предварительного усиления и не усиливает входной сигнал по напряжению, однако он усиливает сигнал по току примерно в раз.

Рис 1.9.3. Схема двухтактного каскада УМ с предварительным фазоинверсным каскадом с разделенной нагрузкой, с автоматическим смещением

 Выходное сопротивление этого каскада по коллекторному выходу значительно больше выходного сопротивления каскада по эмиттерному выходу

В процессе усиления, когда на вход фазоинверсного каскада подается входное напряжение сигнала U_вх = U_{m вых} * sinwt, одновременно на базы обоих транзисторов двухтактного каскада подаются одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180� входные напряжения, которые усиливаются выходным транзистором каждого плеча так же, как в обычной схеме двухтактного каскада УМ. 

1.9.4. Бестрансформаторный двухтактный каскад УМ.

В последние годы в усилительных устройствах стали применять бестрансформаторные выходные каскады УМ, некоторые схемы которых приведены на рис. 1.9.4.

Особенностью схем бестрансформаторных двухтактных каскадов УМ является применение в них транзисторов разноименной полярности, то есть в одном плече каскада включен транзистор типа р-n-р, а в другом плече - транзистор типа n-p-n. Оба транзистора обладают одинаковыми коэффициентами по току��� В_ст1 = В_{ст 2} � 30 - 50, а также одинаковыми обратными токами коллекторов I_{кб0 1} = I_кб02.

Применение разноструктурных транзисторов устраняет необходимость фазоинвертирования входного каскада.

В этих каскадах УМ транзисторы включают по схеме с общим коллектором, что создает последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, уменьшая нелинейные и частотные искажения выходного сигнала и расширяя этим полосу пропускания Df = f_{в гран} — f_{н гран}.

Работая в режиме класса В или АВ1 такие низкочастотные каскады УМ имеют наибольший КПД (до 45 —� 70%) в тех случаях, когда у выходных транзисторов верхняя граничная частота примерно в 1,5 - 2 раза больше максимальной частоты усиливаемого сигнала f_{с макс}. При невыполнении этого условия КПД каскада значительно снижается, так как происходит увеличение потребляемого тока, который увеличивает мощность, бесполезно рассеиваемую коллекторами транзисторов, что может вывести их из строя. Например, если при биполярных транзисторах типа П201А происходит заметное уменьшение КПД каскада на частотах больше 3 — 5 кГц, то при использовании среднечастотных транзисторов типа П601 —� П602 это явление наступает при частотах свыше 50 — 100 кГц, а при транзисторах типа П212 — свыше 20 —� 50 кГц. При этом КПД

h = Р_вых × 100% / Р₀ ,

где Р₀ = Е_к * I_к — мощность, потребляемая от источника питания� Е_к.

Максимальная полезная выходная мощность таких каскадов УМ возрастает с увеличением напряжения источника питания, но не более чем Е_к £ U_{к э доп}, а также при уменьшении сопротивления нагрузки до минимально допустимой величины, ограничиваемой предельно допустимым током коллектора I_{к макс}.

При этом можно принять, что Р_вых = I_вых,

U_вых = 0,5 * I_{m вых}* U_{m вых} = 0,5Р_{вых макс} � P_{вых доп}, то есть Р_{вых макс} � 2 * Р_{доп транз}.

Простейшая схема бестрансформаторного двухтактного каскада УМ, собранного на разнотипных транзисторах, работающая в режиме класса В без начального напряжения смещения, показана на рис. 33, а, б. Принцип работы ее состоит в следующем. Когда на базы обоих транзисторов подается одинаковое по величине и фазе входное напряжение U_вх = U_{m вх} *sinwt, то в положительный полупериод входного сигнала работает верхний транзистор типа n-р-n, пропуская коллекторный ток I_к1 через нагрузку R_н и источник питания Е_к, а в отрицательный полупериод работает нижний транзистор типа р-n-р и разряжающийся конденсатор С_р2, пропуская коллекторный ток I_к2, через нагрузку в противоположном направлении. Таким образом, через нагрузку проходит суммарный выходной ток i_н = I_{н макс} * sinwt.

Другая схема бестрансформаторного двухтактного каскада УМ (рис. 1.9.4, в) собирается также на двух разнотипных транзисторах. Этот каскад, работая в режимах классов А или АВ1, имеет во входных цепях делитель напряжения из резисторов R1, R2, RЗ, который обеспечивает необходимые одинаковые по величине начальные напряжения смещения, подаваемые на базы обоих транзисторов с разной полярностью, то есть + U_бэ1 и � U_бэ2.

Диод Д обеспечивает термокомпенсацию рабочего режима транзисторов.

В динамическом режиме работы в классе АВ1, то есть при подаче на вход U_вх = U_mвх * sinwt транзисторы V1 и V2 будут поочередно открываться, пропуская выходной ток через нагрузку, подключенную через конденсатор С_р2, емкость которого нужно брать побольше, чтобы обеспечить меньший завал частотной характеристики в области нижней граничной частоты.

Третья схема (рис. 1.9.4, г) отличается от предыдущей тем, что имеет еще предварительный каскад усиления, собранный на транзисторе V1 по схеме с общим эмиттером. При этом симметричные напряжения смещения необходимой величины, подаваемые в режиме покоя на базы выходных транзисторов V2 и V3, снимаются с резистора R3 при прохождении через него тока покоя I_кo1 транзистора V1. Величина тока покоя I_ко1 устанавливается подбором сопротивления резистора R2.

Четвертая схема (рис. 1.9.4, д) отличается от второй тем, что оба плеча собраны на двух составных эмиттерных повторителях, в которых транзисторы V1 и V2 разной электропроводности обеспечивают работу каскада без фазоинвертирования входного сигнала. Назначение делителя напряжения, состоящего из элементов R1, R2 || Д, RЗ, аналогично ранее рассмотренной второй схеме.

Резисторы R4 и R5 обеспечивают необходимый режим работы транзисторов V3 и V4 и уменьшают влияние разброса их параметров на режим работы транзисторов V1 и V2.

Рис. 1.9.4. Некоторые схемы бестрансформаторных двухтактных каскадов УМ:

а, б - в режиме класса В без начального смещения;

в - в режиме класса А или АВ1 с автоматическим смещением;

г - с предварительным усилительным каскадом, с автоматическим смещением;

д - на двух составных разноструктурных транзисторных повторителях в обоих плечах;

е - график,� показывающий динамику подачи напряжения смещения на базы эмиттерных повторителей

Применение составных транзисторных эмиттерных повторителей дает возможность получать более равномерную частотную характеристику вблизи и выше верхней граничной частоты, а также более высокий коэффициент усиления полезного выходного сигнала по мощности. 

1.10. Многокаскадные цсилители.

 1.10.1. Классификация, основные параметры и характеристики усилителей

На практике в устройствах промышленной электроники в большинстве случаев для получения необходимой полезной выходной мощности в нагрузке одного каскада недостаточно. Поэтому применяют многокаскадные усилители, собираемые из нескольких последовательно соединенных одиночных усилительных каскадов. В блок-схеме (рис. 1.10.1) в качестве датчиков, преобразующих почти любой неэлектрический сигнал во входной электрический сигнал могут использоваться различные источники ЭДС, например микрофон, антенна, фотоэлемент, фотодиод, фоторезистор, фотоэлектронный умножитель, терморезистор, тензорезистор, тахогенератор, пьезоэлектрический преобразователь, считывающая головка с магнитофонной, перфорированной или фотографической ленты, биотоки, индуктивные или емкостные датчики давления, перемещения, плотности уровня и т. д.

В качестве нагрузки можно подключать в выходную цепь каскада УМ комплексные активно-реактивные нагрузки (R, RL, RС, РСL), например обмотку громкоговорителя, фидерную или абонентскую сеть, самописец, обмотку электромагнитного реле, или шагового (искателя) двигателя, или электроконтактора, обмотку возбуждения электродвигателя, различные контрольно-измерительные приборы, блоки развертки луча осциллографа или телевизора, световые индикаторы и т. д.

В блок-схеме многокаскадного усилителя первый входной каскад t предназначен для согласования сопротивления датчика входного сигнала со входным сопротивлением усилителя при одновременном усилении входного сигнала по току или напряжению. 

Рис. 1.10.1. Блок-схема многокаскадного усилителя

Последний - оконечный, или выходной, каскад является каскадом усиления мощности, передаваемой в полезную нагрузку.

Все остальные промежуточные каскады, включая предоконечный каскад, обеспечивают усиление полезного сигнала по напряжению или току до величины, необходимой для оптимальной работы выходного каскада, при которой отбирается в нагрузку максимально возможная полезная мощность каскада при допустимой величине� нелинейных искажений.

На блок-схеме пунктиром показаны цепи отрицательной обратной связи b₁ и b₂, которые, уменьшая коэффициент усиления, улучшают другие более важные качественные показатели усилительного устройства.

Многокаскадные усилители характеризуются следующими признаками, параметрами и характеристиками. По разным признакам различают:

1) усилители на электронных усилительных лампах, на транзисторах, на тиристорах, на туннельных диодах, на микросхемах и т. п.;

2) по количеству усилительных каскадов - двух-, трех- и более каскадные усилители;

3) по частотным свойствам - усилители напряжения или тока низкой частоты (НЧ), высокой частоты (ВЧ), промежуточной частоты (ПЧ), ультразвуковой частоты (УЗКЧ), узкополосные и широкополосные усилители, усилители постоянного тока (УПТ);

4) по виду межкаскадной связи - усилители с RС-связью, в которых применяются разделительные конденсаторы между каскадами; усилители с трансформаторной связью между каскадами; усилители с полосовым колебательным контуром связи между каскадами; усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами;

5) по виду используемой последовательной или параллельной отрицательной обратной связи по напряжению или току;

6) по режимам работы в классах А, В, АВ, С, Д;

7) по соотношению величины входного сопротивления первого каскада R_{вх к-да}, сравнительно с величиной сопротивления датчика R_г входного сигнала различают: а) режим холостого хода (хх), когда R_{вх к-да} >> R_г; б) режим короткого замыкания (кз), когда R_{вх к-да} << R_г; в) режим согласования, когда R_{вх к-да} � R_г, при котором от датчика входного сигнала передается на вход усилителя наибольшая входная мощность сигнала;

8) по соотношению величины выходного сопротивления со стороны выходных клемм усилителя сравнительно с величиной сопротивления нагрузки Rн различают следующие режимы работы:

а) режим хх, когда R_вых << R_н;

б) режим кз, когда R_вых >> R_н;

в) режим согласования, когда R_вых � R_н.

Приведем основные характеристики многокаскадных усилителей.

1. Амплитудная характеристика, показывающая зависимость величины выходного напряжения усилителя от величины входного напряжения при постоянной частоте усиливаемого сигнала, то есть U_вых = f(U_вх) при f = = соnst � 400 или 1000 Гц (рис. 1.10.2, а). Чтобы нелинейные� искажения не превышали допустимой величины, используется только линейный участок амплитудной характеристики.

Наличие внутренних шумовых помех приводит к тому, что при отсутствии входного сигнала (U_вх = 0) на выходе усилителя имеется выходное напряжение U_вых = U_шума.

2. Частотная (или амплитудно-частотная) характеристика, показывающая зависимость величины коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала при неизменной величине входного напряжения, то есть К = U_вых / U_вх = j(f) при U_вх = соnst.

На частотной характеристике, показанной на рис. 1.10.2, б, различают три области: а) область низкой частоты; б) область средней частоты; в) область верхней частоты.

Рис. 1.10.2. Характеристики усилителей: а - амплитудная; б - частотная

�(или амплитудно-частотная); в - фазовая

Эта характеристика показывает, что наибольшее усиление полезного сигнала происходит в области средних частот, а в областях низкой и верхней частот происходит завал характеристики, обусловленный реактивными (емкостными) элементами в схеме усилителя.

На этом графике показана рабочая полоса частот в пределах от верхней граничной частоты до нижней граничной частоты, то есть Df = f_{в гран} - f_{н гран}, где завал частотной характеристики не превышает допустимую величину более чем на 30% от коэффициента максимального усиления. Обычно ось абсцисс частотной характеристики строят в логарифмическом масштабе, чтобы очень сильно не растягивать график.

3. Фазовая характеристика, показывающая величину угла сдвига фазы j между фазой выходного сигнала и фазой входного сигнала в зависимости от частоты сигнала, то есть j = y(f).

На графике (рис. 1.10.2, в) видно, что фазовый угол сдвига j между выходным и входным напряжениями в области средних частот примерно равен нулю, а в областях нижней и верхней частот допустимая величина этого угла примерно равна j � p/4 = 45�.

Нужно иметь в виду, что фазовые искажения связаны с наличием реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) в схемах усилительных устройств. Фазовые искажения существенное значение имеют в осциллографической, телевизионной, радиолокационной, импульсной и т. п. технике. В усилителях звуковой частоты они не оказывают заметного влияния на восприятие звукового сигнала человеком.

Основными параметрами многокаскадных усилителей являются:

1. Общий коэффициент усиления по напряжению

К_u = U_вых / U_вх = U_{m вых} / U_{m вх} ,

где U_вх и U_mвх обозначают соответственно действующие и амплитудные значения выходных и входных напряжений усиливаемого сигнала.

В ламповых схемах усилителей, а также в усилителях на полевых униполярных транзисторах, у которых входное сопротивление каскада значительно больше внутреннего сопротивления датчика входного сигнала, то есть R_{вх к-да} >> R_г, то можно принять U_вх � Е_г, где Е_г - ЭДС датчика сигнала.

Однако в транзисторных усилителях, у которых R_{вх к-да} < R_г, при необходимости определяют коэффициент усиления усилителя по напряжению относительно величины ЭДС Е_г датчика как генератора входного сигнала. При этом К_u = U_вых / Е_г. Если усилитель содержит несколько последовательно включенных каскадов, то общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, то есть

К_u = U_вых / U_вх = К_u1 * К_u2 ... К_un.

2. Коэффициент усиления по току

К_i = I_{m вых} / I_{m вх} = I_вых / I_вх ,

где I_вых - ток в нагрузке, I_вх - ток во входной цепи усилителя.

3. Коэффициент усиления по мощности

К_p = К_i * К_u = Р_вых / Р_вх,

где Р_вых - полезная мощность, выделяемая в нагрузке; Р_вх полезная мощность, расходуемая во входной цепи усилителя.

4. Если коэффициенты усиления усилителя выражены в децибелах, то расчетные формулы имеют следующий вид:

К_u(дб) = 20lgК_u; Кi(дБ) = 20lgК_i; К_р(дБ) = 10lgК_р.

Некоторые соотношения для перевода безразмерных К_u в коэффициенты усиления, выраженные в децибелах Кu(дБ), приведены в табл. 1.10.1.

������ Таблица 1.10.1

Примечания. 1. Если нужно перевести безразмерные К_р в коэффициенты усиления мощности, выраженные в децибелах К_р (дБ), то указанные в таблице числа в децибелах К_u(дБ) следует разделить на два. 2. Если необходимо выразить не усиление, а ослабление сигнала, когда U_вых < U_вх в указанное в таблице число раз, то перед найденным числом децибел нужно обязательно поставить знак минус ( - ), который означает, на сколько децибел ослаблен сигнал.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общий коэффициент усиления усилителя будет равен сумме коэффициентов усиления всех каскадов:

К (дБ) = К₁ (дБ) + К₂ (дБ) + . . . + К_n (дБ) .

Человеческий слуховой анализатор может различать изменение уровня звукового сигнала около 1 дБ. Болевое ощущение вызывает верхний уровень звука, соответствующий 140 дБ.

5. Коэффициент полезного действия, характеризующий экономичность усилителя:

а) электрический КПД

h_э = Р_вых / Р_о × 100% ;

б) промышленный КПД с учетом всех потерь в цепях усилителя

h_п = Р_вых / ( Р_о + Р_потерь ) × 100%,

где �� R_вых = 0,5 * I²_{m вых} �* R_н - полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

����� Р_о - мощность, потребляемая в выходной цепи усилителя;

������ Р_потерь - мощность, расходуемая на накал ламп и во вспомогательных цепях усилителя.

6. Допустимый коэффициент частотных искажений для каждого каскада в области нижних М_н и верхних М_в частот, равный отношению коэффициента усиления в области средних частот К_ср к коэффициенту усиления каскада в области нижних и верхних частот (К_н и К_в), принимают равным

М_н = М_в = К_ср / К_н = К_ср / К_в =, что соответствует 3 дБ.

В многокаскадных усилителях общий коэффициент частотных искажений как в области нижних, так и в области верхних частот равен М_ус =�� = М₁ * М₂ ... М_n, где n - число каскадов. В усилителях с реостатно-емкостной связью коэффициенты частотных искажений можно определить как для нижней граничной частоты, так и для верхней граничной частоты:

М_в = К_ср / К_в = ... ламповый вариант;

М_в = К_ср / К_в = ... транзисторный вариант.

Если принять допустимый коэффициент частотных искажений в пределах 1,05 ... 1,41, то соответствующие граничные частоты будут находиться в пределах

f_{н гр} =

f_{в гр} =

где для лампового усилителя t_н = С_разд * R_с;

t_в = С_вх R_экв; R_экв = R_а || R_i || R_c;

аналогично, с учетом особенностей транзисторных схем, можно для них определить постоянные времени в области нижних и верхних граничных частот.

7. Коэффициент нелинейных искажений оценивается величиной

Нелинейные искажения характеризуют степень искажения формы усиленного выходного напряжения (или тока) по сравнению с формой входного сигнала. Появление нелинейных искажений полезного сигнала объясняется нелинейностью вольт-амперных характеристик усилительных ламп или транзисторов при работе с большой амплитудой усиливаемого сигнала. Это явление наглядно показано на амплитудной характеристике, выражающей линейную зависимость выходного напряжения при малых амплитудах входного сигнала и нарушение линейности с увеличением амплитуды входного усиливаемого сигнала. Это явление приводит к появлению в выходном сигнале высших гармоник, которых не было во входном сигнале.

В усилителях звуковой частоты (от 20 Гц до 16 кГц) нелинейные искажения проявляются в появлении хрипов и нечеткого, неразборчивого звуковоспроизведения. Допустимый коэффициент нелинейных искажений в таких усилителях не более 4-х % , а в усилителях телефонной связи не более 15-ти %.

8. Общий угол сдвига фаз между выходным и входным напряжениями многокаскадного усилителя как в области нижних, так и в области верхних частот равен j = j₁ + j₂ + ... + j_n.

9. Коэффициент шума и внешних помех усилителя, связанный с внутренними флуктуационными процессами движения носителей зарядов в активных и пассивных элементах, входящих в электрические цепи усилителей, а также вследствие пульсаций питающего напряжения и наводки электромагнитных полей от внешних источников. Наибольшее влияние оказывают шумы и помехи, возникающие в первом каскаде усилителя, так как они усиливаются далее всеми последующими каскадами усилителя.

Наличие шумовых и внешних помех видно на амплитудной характеристике, которая начинается выше нулевого значения при отсутствии входного сигнала, то есть U_вых > 0 при U_вх = 0.

Наличие внутренних шумовых помех определяет пороговую чувствительность усилительного устройства, соответствующую минимальному напряжению входного сигнала, при котором выходное напряжение полезного сигнала равно выходному напряжению усилителя, возникающему от внутренних шумов. 

1.10.3. Две схемы многокаскадных усилителей.

В качестве примера на рис. 1.10.3 приведены две принципиальные электрические схемы многокаскадных усилителей: на биполярных транзисторах (а) и на полевых транзисторах (в).

В этих схемах усилителей в качестве первого входного каскада включен эмиттерный (катодный, истоковый) повторитель, который обеспечивает согласование высокоомного датчика сигнала со входным сопротивлением усилителя. Такой каскад, не усиливая входной сигнал по напряжению, усиливает его по току и мощности.

Все остальные каскады собираются по схеме с общим эмиттером (общим катодом, общим истоком), давая усиление и по току и по напряжению (транзисторный вариант), и в основном по напряжению (ламповый вариант).

Последний двухтактный каскад УМ (транзисторный вариант) и однотактный каскад УМ на лучевом тетроде (и полевом транзисторе) обеспечивают усиление сигнала по мощности, отдаваемой в нагрузку. 

Рис. 1.10.3. Две схемы многокаскадных усилителей;

�а - на биполярных транзисторах;

�в- на полевых транзисторах с и-каналом

В этих схемах между первым и вторым, между вторым и третьим каскадами применена резистивно-емкостная связь, в которую по переменной составляющей усиливаемого сигнала входят элементы, указанные далее в эквивалентной схеме (рис. 1.10.4).

Между третьим и четвертым - выходным - каскадами применена трансформаторная связь при помощи переходного трансформатора ТР1, которая обеспечивает повышение КПД каскада предварительного усиления, устраняет гальваническую связь между этими каскадами по постоянному току и напряжению, согласует величину выходного тока (транзисторный вариант) или напряжения (ламповый вариант) предоконечного каскада с необходимой величиной входного тока или входного напряжения выходного - оконечного - каскада.

При этом коэффициент трансформации ТР1 берется небольшой величины, около 2 ... 3.

Следует иметь в виду, что трансформаторная межкаскадная связь может давать резкий подъем частотной характеристики в области резонансной частоты трансформатора при соответствующей величине индуктивности и распределенной межвитковой емкости его обмоток.

Чтобы использовать это явление для компенсации завала частотной характеристики в области нижних или верхних частот, необходимо подбирать переходной трансформатор с резонансной частотой, соответствующей этим частотам. 

Рис. 1.10.4. Эквивалентная схема второго каскада а - транзисторного усилителя;

б -лампового усилителя

В выходную цепь оконечного каскада УМ (двухтактного - на биполярных транзисторах и однотактного на мощном лучевом тетроде) при помощи выходного трансформатора ТР2 включена нагрузка R_н (или Z_н).

Во всех схемах выходной трансформатор согласует величину сопротивления нагрузки R_н с выходным сопротивлением каскада, исходя из ранее указанного соотношения n²*R_н = R_экв откуда

Все предварительные каскады и однотактный каскад УМ работают в режиме класса А, а двухтактный каскад УМ на транзисторах может работать в классе А или с более высоким КПД в классе АВ1.

Если исключить из схемы двухтактного каскада УМ резисторы R5 , R6, то этот каскад будет работать в режиме класса В без начального смещения рабочей точки.

Для анализа частотной характеристики каждого каскада изображается его эквивалентная схема, то есть схема замещения каскада по переменным составляющим усиливаемого напряжения или тока.

При этом замещении источник питания Е_к (или Е_а - ламповый вариант) считается закороченным по переменным составляющим коллекторного (или анодного) тока, а транзистор замещается эквивалентным генератором тока i_г = - bI_вх и внутренним сопротивлением его R_г = R_{вх транз} или генератором напряжения (ламповый вариант) с ЭДС е_г = - bU_вх и внутренним его сопротивлением R_г = R_i, равным внутреннему сопротивлению усилительной лампы.

Пользуясь таким законом эквивалентного генератора, на рис. 1.10.4, а приведена эквивалентная схема второго каскада транзисторного усилителя (рис. 1.10.3, а) как эквивалентного генератора тока, а на рис. 1.10.4, б приведена полная эквивалентная схема второго каскада из лампового усилителя(рис. 1.10.3, б), где лампа представлена как генератор напряжения. Используя схему замещения лампового каскада и его типовую частотную характеристику, показанную на рис. 1.10.5, в качестве примера приведем анализ такой частотной характеристики.

Рис. 1.10.5. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада 

1.10.3. Анализ частотной характеристики усилительного каскада.

Снижение коэффициента усиления в области нижних частот (f_{н гр}) происходит в основном вследствие потерь выходного напряжения на разделительном конденсаторе С_рз в цепи межкаскадной связи, который имеет емкостное сопротивление Х_с = 1 / (w_н С_{р з}) �значительной величины в области нижних частот и малой величины в области средних и верхних частот, на которых влияние его и не учитывается.

Снижение коэффициента усиления в области верхних частот (f_{в гр}) вызывается тем, что резистор R_с3 шунтируется сравнительно небольшим емкостным сопротивлением входной паразитной емкости каскада

Х_{Свх з} = 1 / (w_н С_{вх з}) ,

что снижает входное эквивалентное сопротивление каскада, уменьшая снимаемое с него напряжение, подаваемое на вход следующего каскада и соответственно уменьшая коэффициент усиления. Одновременно влияние этой емкости в области нижних и средних частот незначительно, поэтому в этих случаях в расчет не принимается.

Учитывая эти соображения, на рис. 1.10.6 приведены три эквивалентные схемы усилительного каскада, которые помогают составить расчетные формулы его коэффициентов усиления в области средних, нижних и верхних частот.

Во-первых, в области средних частот (рис. 1.10.6, а), где пренебрегают влиянием емкостных сопротивлений, получается максимальный коэффициент усиления. Из эквивалентной схемы следует, что

, где ����������������

, 

отсюда получим ��������

Рис. 1.10.6. Эквивалентные схемы лампового каскада в области:

�а - средних частот; б - низких частот; в - верхних частот

Во-вторых, в области нижних частот (рис. 1.10.6, б), где из полной эквивалентной схемы исключена входная паразитная емкость C_вх3,

или

где w_н = 2pf _{н гр}

постоянная времени в области

f _н...t_н = С _р3 ×R_с3 =

f _н = от до

В-третьих, в области верхних частот, где не учитывается влияние разделительного конденсатора С_р, (рис. 1.10.6, в), коэффициент усиления каскада будет определяться по формуле

где w_в = 2pf _{в гр}

f _{в гр} =� ¸;�� t_в =;

С_{вх 3} = С _монт + С _ак2 + С _ск2 + С _ас3(1 + К₃)

Таким образом, определив К_ср, К_н, К_в, Df = f_{в гр} — f_{н гр}, можно построить частотную характеристику каскада К = j(f) при U_вх = соnst.

Следует иметь в виду, что анализ частотной характеристики резистивно-емкостного каскада на транзисторе осуществляется по аналогичным формулам, но с учетом некоторых особенностей, присущих параметрам транзисторных каскадов, например зависимости коэффициента усиления по току от частоты.