Каскады предварительного усиления. Расчет каскада с общим эмиттером. Принципиальные схемы каскадов

5. КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ

5.1. Общие сведения

Каскады предварительного усиления имеют своей целью обеспечить основное усиление сигнала по напряжению и могут выполняться в виде самостоятельных отдельных каскадов на дискретных элементах или на основе интегральных микросхем (операционных усилителях). Выбор конкретного вида зависит от требований к величине  номинального коэффициента усиления и уровню частотных или переходных искажений.

Проектирование предварительных каскадов заключается в определении числа каскадов, в выборе схемы включения активных элементов, в распределении по каскадам коэффициента усиления и уровней искажений (M, t_у, D)  так, чтобы их суммарные значения не превышали заданных.

Число принимаемых каскадов n зависит от необходимого общего коэффициента усиления, поскольку усиление одного каскада лежит в пределах

                                                        K_o = 0.5 ÷ 0.9 H₂₁.                                                (5.1)

Обычно каскады предварительного усиления выполняются одинаковыми по схеме построения, поэтому их число можно найти из формулы определения коэффициента усиления многокаскадного усилителя

                                                         K = K_iⁿ.                                                                 (5.2)

При эскизном расчете каскадов предварительного усиления одновременно решается вопрос о целесообразности применения в них цепей коррекции. Необходимость введения цепей высокочастотной коррекции определяется соотношением высшей частоты усиления (времени установления) и граничной (предельной) частоты усиления биполярного транзистора, так как его коэффициент передачи тока базы уменьшается с ростом частоты усиливаемого сигнала                         

B

                                                        B    =                 ^o                 ⋅

При небольших значениях номинального коэффициента передачи B_o (порядка нескольких единиц) требуемые параметры каскада могут быть получены за счет применения высокочастотных транзисторов и уменьшения величины сопротивления в цепи коллектора. Пригодность применения выбранного транзистора для получения необходимого усиления в заданном диапазоне частот проверяется по соотношению

f

                                        − 1 ≥    f _t .                                    (5.3)

21

У полевых транзисторов считается, что крутизна частотно не зависима и их частотные параметры характеризуются добротностью

                                        D_t = _C   ^S_{+ С}   ,                                                     (5.4)

                                                                       зи       зс

а добротность (площадь усиления) каскада, выполненного на полевом тран-

зисторе, соответственно равна                                                                       

2pF К

                                                    Dу =       ₂^в ₋^о₁ .                                                     (5.5)

_{М в}

Если соотношения 5.3 - 5.5 не выполняются, то целесообразно применить корректированные каскады. При этом следует иметь в виду, что при использовании эмиттерной (истоковой) коррекции уменьшается номинальный коэффициент усиления каскада, но увеличивается входное сопротивление, что в свою очередь приводит к увеличению усиления предыдущего каскада, а эффективность простой параллельной коррекции индуктивностью зависит от сопротивления нагрузки каскада. А  так как каскады с общим эмиттером имеют сравнительно небольшое входное сопротивление, то использование простой параллельной коррекции менее эффективно по сравнению с эмиттерной. Поэтому в каскадах, выполненных на биполярных транзисторах, рекомендуется использовать простую параллельную коррекцию при условии их работы на высокоомную нагрузку.   

После окончательного выбора типа и числа каскадов предварительного усиления следует распределить уровни искажений. Обычно это распределение производится по каскадам равномерно, что облегчает проведение расчетов. Такой  подход  оправдан  лишь  для  усилителей  низкой  частоты. В широкополосных и импульсных усилителях целесообразнее распределение уровней искажений производить неравномерно, учитывая возможность введения цепей коррекции в отдельных каскадах, используя эффект взаимокоррекции. Такой подход позволяет за счет перекоррекции отдельных каскадов остальные выполнять по обычной схеме. 

В качестве каскадов предварительного усиления в основном используются резисторные каскады на биполярных транзисторах с общим эмиттером или на полевых транзисторах с общим истоком, характеризующиеся простотой схемы, коэффициентом усиления по напряжению большим единицы и достаточной полосой пропускания. 

5.2. Расчет каскада с общим эмиттером

Техническое задание на расчет каскада должно содержать следующие данные: параметры источника сигнала (ЭДС источника Е_г и его внутреннее сопротивление R_г); параметры нагрузки (выходное напряжение U_вых, сопротивление R_н и емкость C_н); при усилении гармонических сигналов диапазон усиливаемых частот  Df = f_в - f_н и соответствующий ему уровень частотных искажений М. При работе с импульсными сигналами приводятся требования ко времени установления t_у выходного импульса, спаду вершины D импульса и длительности импульса t_и; рабочая температура схемы.