Каскады предварительного усиления

Ранее говорилось о том, что назначением каскадов предварительного усиления является усиление тока или напряжения источника сигнала до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

Для уменьшения числа каскадов предварительного усиления желательно, чтобы коэффициент усиления каждого каскада был наибольшим. Для уменьшения нелинейных искажений, как пишут в книгах, в предварительных усилителях наиболее часто используется режим А, поскольку с энергитической точки зрения это не вызывает затруднений, т. к. потребление мощности каскадами предварительного усиления даже в таком режиме незначительно.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером. Однако, если использовать включение с общей базой, искажений будет меньше.

Питание цепей транзистора осуществляется исходя из назначения, требуемой выходной мощности и пр. На рисунке 1 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на биполярных транзисторах, включенных по схеме ОЭ.

Рис. 1 - Схемы подачи смещения в цепь база-эмиттер через резистор и делитель напряжения

Необходимое смещение можно подавать через резистор R_б (первый рисунок) или через делитель напряжения R_б1R_б2 (второй рисунок). Сопротивление R_б во много раз превышает сопротивление перехода база-эмиттер для постоянного тока, поэтому смещение через этот резистор называют смещением фиксированным током базы. Смещение с помощью делителя напряжения меньше изменяется при изменении температуры, старении, замене экземпляров транзисторов и называется смещением фиксированным напряжением база-эмиттер.

Усилительные каскады можно построить и с использованием полевых транзисторов, как показано на рисунке 2.

Рис. 2 - Схемы резистивных усилительных каскадов на полевом транзисторе с p-n-переходом, изолированным затвором и встроенным каналом, изолированным затвором и индуцированным каналом

Питание полевого транзистора осуществляется подачей напряжение между истоком и стоком и напряжения смещения на затвор относительно истока транзисторов с p-n-переходом или подложки транзисторов с изолированным затвором. В качестве напряжения смещения может быть использовано падение напряжения на резисторе в цепи истока (первая схема), или напряжение смещения, получаемое с помощью делителя (третья схема). Транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом могут работать без напряжения смещения (вторая схема).

Схемы стабилизации режима транзистора

Наиболее простыми являются схемы коллекторной стабилизации, показанные на рисунке 3. Принцип действия заключается в введении ООС по постоянному току.

Рис. 3 - Схемы коллекторной стабилизации режима транзисторов при включениии с ОЭ, ОБ, ОК

При включении транзистора с общим эмиттером (первая схема) коллекторная стабилизация снижает коэффициент усиления каскада и его входное сопротивление, поскольку напряжение сигнала с выхода каскада через резик R_б поступает на вход, создавая в каскаде ООС по переменному току. Для устранения этой ООС вместо резика R_б включают два, а между ними блокировочный кондер достаточно большой емкости (вторая схема).

При включении транзистора по схеме с ОБ ООС отсутствует (третья схема), если емкость кондера C_б достаточно велика. При включении транзистора с ОК (четвертая схема) действует параллельная ООС по постоянному току через резик R_б и последовательная ООС по постоянному току за счет резика R_э, а также 100%-я последовательная ООС по переменному току, поскольку нагрузка каскада включена во входную цепь данного каскада последовательно с источником сигнала (параллельное соединение резика R_э и входного сопротивления последующего каскада).

Схемы эмиттерной стабилизации режима позволяют достичь более высокой стабильности, чем коллекторные схемы. Схемы эмиттерной стабилизации показаны на рисунке 4.

Рис. 4 - Схемы эмиттерной стабилизации режима транзистора при включении с ОЭ, ОБ, ОК

Помимо рассмотренных существуют комбинированные схемы стабилизации. Отличие состоит в том, что в разрыв питания вводится вот такая фильтрующая цепочка:

Дифференциальные (балансные) каскады

Такие каскады используются довольно широко, если не сказать, что в современных усилителях применяются наиболее часто. Основные достоинства - удобство создания усилителей с симметричным, инвертирующим и неинвертирующим выходами, простота достижения высокой стабильности режима работы, возможность плавной регулировки усиления и использование различных способов обратной связи. Дифференциальные каскады входят в состав практически всех операционных усилителей (ОУ).

На рисунке 5 показана упрощенная схема дифференциального каскада.

Рис. 5 - Схема дифференциального каскада с питанием от одного источника

Входное напряжение может быть подано симметрично (парафазно) - между базами транзисторов, или несимметрично - между базой одного из транзисторов и общим проводом, с которым в этом случае непосредственно или через резик должна соединяться база второго транзистора. Выходной сигнал аналогично можно снимать симметрично - между коллекторами транзисторов, или несимметрично - между коллектором одного из транзисторов и общим проводом. Если сигнал подается на вход и снимается с выхода несимметрично, каскад может быть инвертирующим и неинвертирующим. При несимметричном выходе коллектор одного из транзисторов, с которого не снимается выходной сигнал, может быть соединен с проводом питания напрямую.

При питании дифференциального каскада от одного источника на оба входа должны быть поданы положительные напряжения. При условии равенства внутренних сопротивлений источников сигналов и их ЭДС и идентичности транзисторов базовые токи равны, соответственно равны коллекторные и эмиттерные токи. Если равны сопротивления в цепях коллекторов, выходное напряжение равно нулю. Поскольку имеется разброс значений параметров транзисторов, остается незначительное напряжение - напряжение дрейфа или ошибки.

Резик R_э в цепи эмиттеров создает в каждом плече каскада ООС, уменьшающую усиление синфазного сигнала и, соответственно, дрейф нуля на выходе. Усиливаемый парафазный сигнал не создает на резике R_э падения напряжения, поскольку для этого сигнала токи транзисторов равны и противоположны по фазе. В результате парафазные сигналы усиливаются без ослабления, синфазные уменьшаются. Всё же на резике R_э теряется часть напряжения питания.

Дифференциальный каскад можно питать и от двуполярного источника, как показано на рисунке 6. При этом потенциалы баз транзисторов можно сделать близкими к потенциалу корпуса (общего провода), что позволяет подключать источники сигналов, на выходе которых отсутствует постоянное напряжение, непосредственно ко входам каскада, т. е. без разделительных кондеров. Кроме того, стабилизируется ток через резик R_э.

Рис. 6 - Дифференциальный каскад с питанием от двух источников

Такие дифференциальные каскады с одним общим резиком в цепи эмиттеров характеризуются низкой стабильностью режима, что обусловлено неидентичностью обратных токов коллекторов. Для повышения стабильности режима в цепь каждого эмиттера включают отдельные дополнительные резики, создающие дополнительную ООС в каждом плече каскада. Для устранения ООС по переменному току эмиттеры транзисторов должны быть соединены кондером достаточно большой емкости. Стабильность повысится, если полностью разделить эмиттерные цепи по постоянному току.

Стабильность можно повысить, если вместо резика R_э включить источник стабильного тока (ИСТ), имеющий малое сопротивление для постоянного тока и большое для переменного (рис. 7).

Рис. 7 - Дифференциальный каскад с ИСТ

Ток коллектора транзистора VT3 очень стабилен, поскольку потенциал его базы фиксрован при помощи делителя R2VD2, а в цепи эмиттера включен резик ООС по постоянному току. Диод включен для термостабилизации тока транзистора VT3.

Повысить стабильность можно и несколько иным способом, как показано на рисунке 8.

Рис. 8 - Дифференциальный каскад со стабилитроном в цепи эмиттеров

Цепь R2VD1 уже знакомый параметрический стабилизатор. Бывают схемы, в которых вместо стабилитрона стоит кондер.

Вместо биполярных транзисторов можно воткнуть полевые, при этом повышается входное сопротивление и коэффициент усиления. Будет вообще замечательно, если в качестве ИСТ применить полевой транзистор.

Примечание: в схемах на рис. 7 и 8 нижний провод питания должен быть вида -E₂.

Усилители на основе ОУ

Проще всего построить усилительный каскад на основе операционного усилителя (ОУ). Усилители на основе ОУ обладают широким диапазоном частот, высокой стабильностью и надежностью, малыми габаритами и массой. Входное сопротивление идеального ОУ стремится к бесконечности, выходное - к нулю, амплитуда выходного напряжения стремится к напряжению источника питания. В реальности всё чуток хуже. На рисунке 8 показаны типичные схемы усилителей на основе ОУ.

Рис. 8 - Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя на основе ОУ

В первой схеме сигнал подается на инвертирующий вход (он обозначается кружочком), при этом фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180º. Другими словами, усилитель инвертирует сигнал и потому называется инвертирующим. Если сигнал подается на неинвертирующий вход (вторая схема), выходной сигнал совпадает по фазе со входным. Т. е. усилитель не инвертирует сигнал и потому называется неинвертирующим.

Высокая стабильность параметров достигается путем введения глубокой ООС по постоянному и переменному токам (на схемах это резик R3).

Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с ООС равен отношению сопротивлений резиков R3 и R1 и не зависит от параметров ОУ. То есть, если R1=1 кОм, R2=20 кОм, то коэффициент усиления составит K=R3/R1=20/1=20. Резик R1 можно вообще выкинуть, тогда сопротивление резика R2 должно быть равно выходному сопротивлению источника сигнала, а коээфициент усиления будет определяться как отношение сопротивления резика R3 и выходного сопротивления источника сигнала.

Ахтунг! Не следует выбирать слижком уж большой коэффициент усиления (тысячи и больше), поскольку при этом сужается полоса рабочих частот ОУ, а точнее снижается верхняя граничная частота. Чем выше коэффициент усиления, тем ниже верхняя частота.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равняется сопротивлению R1, а выходное определяется по формуле:

Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления определяется по формуле:

Отличительным свойством неинвертирующего усилителя является его высокое входное сопротивление, которое определяется:

Если во второй схеме на рисунке 8 соединить выход и инвертирующий вход (тот, что с кружочком), то получится повторитель с очень большим входным сопротивлением и коэффициентом передачи, близким к единице. Такой повторитель используется для согласования источника сигнала с последующим каскадом. К тому же, такой повторитель может передавать напряжение постоянного тока, не внося при этом дополнительного сдвига уровня напряжения. В этом случае кондер С1 надо выкинуть.

Инвертирующий усилитель может выполнять функции инвертирующего сумматора, если на его инвертирующий вход подать через резики сигналы от разных источников. Выбирая сопротивления резиков сигналы можно сложить с разными масштабными коэффициентами. Ну а если опосля резиков поставить селектор входов, то получим предварительный усилитель на несколько входов и соответствующими коэффициентами усиления.