Анализ схемы многокаскадного усилителя переменного сигнала

Для усиления электрических сигналов, частотный спектр которых расположен в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц, используются усилители низкой частоты. Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных или униполярных транзисторах в дискретном или интегральном исполнении. Назначением усилителей низкой частоты в конечном итоге состоит в развитии на нагрузке выходного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала. Нагрузкой выходного каскада усилителя обычно являются такие устройства как громкоговоритель, измерительный прибор, записывающая головка магнитофона, осциллограф, реле и другие исполнительные устройства.

В качестве источника входного сигнала усилителя низкой частоты могут быть использованы: генератор звукового сигнала, микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т.д. Учитывая, что большинство указанных источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение, то непосредственная подача его на вход усиления мощности лишена физического смысла. Действительно, при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительное изменение выходного тока, а, следовательно, создать требуемую мощность на внешней нагрузке.

В этом случае электронное устройство строится по многокаскадной схеме (рис. 1). Анализ схемы усилителя электрических сигналов, представленной на рис. 3.1, показывает, что структурно она состоит из входного, промежуточного и выходного каскадов усиления (рис. 3.2.).

Входной каскад усиления, собранный на биполярном транзисторе VT1, обеспечивает непосредственную связь источника сигнала и усилительного устройства. Поэтому он должен обеспечить минимальное ослабление входного сигнала. Следовательно, усилительный каскад должен обладать сопротивлением R_BX, превышающим сопротивление источника сигнала R_c, то есть R_BX» R_c.

Каскад промежуточного усиления, собранный на биполярном транзисторе VT2, реализует функцию буферного каскада между входным и выходным каскадами усиления, а обеспечивает основное усиление входного сигнала.

Оба каскада выполнены по схеме с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания Е„. В этих каскадах используется апериодическая нагрузка, имеющая одинаковое сопротивление для постоянной и переменной составляющей выходного тока.

Рисунок 1 - Структурная схема трехкаскадного электронного усилителя

Выходной каскад усиления, собранный на биполярном транзисторе VT3 по схеме с общим коллектором, предназначенного для получения на выходе усилителя такой мощности, которая обеспечивает работоспособность нагрузочного устройства, выполняющего определенные функции. Как известно, выходные каскады усилителя имеют ряд характерных особенностей, среди которых следует выделить следующие:

- из-за высокого уровня сигнала в выходных каскадах приходится применять мощные транзисторы. Поэтому выходные каскады потребляют от источника питания большую мощность, чем каскады предварительного усиления.

- выходные каскады, как правило, работают на низко омную нагрузку. При подключении такой нагрузки непосредственно в выходную цепь усилительного прибора в ней будет выделяться незначительная мощность сигнала и могут возникнуть значительные нелинейные искажения.

- наличие в выходной цепи оконечного каскада согласующего элемента (совокупности элементов). Действительно, во внешнюю нагрузку можно передать максимальную мощность лишь при условии равенства ее сопротивления сопротивлению источника сигнала. Анализ показывает, что задача согласования выходного сопротивления усилительного каскада с сопротивлением нагрузки в заданной схеме (рис. 3.1) решается путем использования повторителей напряжения. Одновременно эмиттерный повторитель обеспечивает высокое быстродействие и повышает нагрузочную способность усилителя.

Схемотехнический анализ принципиальной схемы (рис. 3.1) позволяет сделать ряд уточняющих замечаний:

- Использование в первом и втором каскадах схем усиления с общим эмиттером, причем для обеспечения температурной стабилизации режима покоя в каждом из них использована последовательная ООС по току нагрузки;

- Выполнение третьего каскада по схеме эмиттерного повторителя, что уменьшает выходное сопротивление усилителя;

- Использование для формирования высокочастотной части характеристики цепи общей последовательной ООС по выходному напряжению, что увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление усилителя. Для введения этой связи эмиттерный резистор транзистора VT1 разбит на два последовательно включенных резистора R⁽¹⁾_Э1 И R⁽²⁾_Э1. ЭТО позволяет в первом каскаде при требуемой стабильности режима покоя сохранить достаточный коэффициент усиления по переменному току.