Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Многокаскадный усилитель

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Многокаскадный усилитель[1]

Оборудование и материалы

Ссылки по теме

Цели эксперимента

  • Проектирование многокаскадной схемы усилителя с общим эмиттером с прямой связью
  • Изучение эффекта отрицательной обратной связи в схеме усилителя

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: многокаскадный усилитель.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: многокаскадный усилитель.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: многокаскадный усилитель.
Рис. 2. Иллюстрация: многокаскадный усилитель.

Ход эксперимента

Путём соединения трёх схем усилителя с общим эмиттером вместе – клеммы коллектора предыдущего транзистора с базой (резистором) следующего транзистора – коэффициенты усиления по напряжению каждого каскада складываются, что даёт очень высокий общий коэффициент усиления по напряжению. Я рекомендую для начала построить эту схему без резистора обратной связи 1 МОм, чтобы лично убедиться, насколько высок неограниченный коэффициент усиления по напряжению.

Вы можете обнаружить, что невозможно отрегулировать потенциометр для стабильного выходного напряжения (которое не насыщается при полном напряжении питания или нуле), коэффициент усиления настолько высок. Даже если вы не можете отрегулировать входное напряжение достаточно точно, чтобы стабилизировать выходное напряжение в активном диапазоне последнего транзистора, вы должны быть в состоянии сказать, что отношение выход/вход инвертируется; то есть выход имеет тенденцию к высокому напряжению, когда вход становится низким, и наоборот.

Поскольку любой из каскадов с общим эмиттером сам по себе является инвертирующим, чётное количество каскадов усилителей с общим эмиттером даёт неинвертирующий отклик, а нечётное количество каскадов даёт инвертирующий. Вы можете увидеть эти отношения, измерив напряжение коллектор/«земля» на каждом транзисторе , регулируя потенциометр входного напряжения, отмечая, увеличивается или нет выходное напряжение с увеличением входного напряжения.

Подключите резистор обратной связи 1 МОм в цепь, соединив коллектор последнего транзистора с базой первого. Поскольку общая характеристика этого трёхкаскадного усилителя является инвертирующей, сигнал обратной связи, подаваемый через резистор 1 МОм с выхода последнего транзистора на вход первого, должен иметь отрицательный характер.

Таким образом, он стабилизирует отклик усилителя и минимизирует коэффициент усиления по напряжению. Вы сразу же заметите снижение усиления за счёт снижения чувствительности выходного сигнала при изменении входного сигнала (изменения положения потенциометра).

Проще говоря, усилитель уже не такой «чувствительный», как без резистора обратной связи. Как и в случае с простым усилителем с общим эмиттером, который обсудили в предыдущем эксперименте, здесь рекомендуется составить таблицу значений входного и выходного напряжения, с помощью которой можно рассчитать коэффициент усиления по напряжению.

Поэкспериментируйте с различными значениями сопротивления обратной связи. Как вы думаете, какое влияние оказывает уменьшение сопротивления обратной связи на коэффициент усиления по напряжению? Как насчёт увеличения сопротивления обратной связи? Попробуйте и узнайте!

Преимущество использования отрицательной обратной связи для «приручения» схемы усилителя с высоким коэффициентом усиления заключается в том, что результирующее усиление по напряжению становится более зависимым от номиналов резисторов и менее зависимым от характеристик составляющих транзисторов. Это хорошо, потому что намного проще производить последовательные резисторы, чем последовательные транзисторы. Таким образом, проще спроектировать усилитель с предсказуемым коэффициентом усиления, создав ступенчатую цепь транзисторов с произвольно высоким коэффициентом усиления по напряжению, а затем уменьшить этот коэффициент именно за счёт отрицательной обратной связи. Именно этот принцип используется для того, чтобы схемы операционных усилителей вели себя так предсказуемо.

Эта схема усилителя немного упрощена по сравнению с тем, с чем вы обычно сталкиваетесь в практических многокаскадных схемах. Редко используется чистая конфигурация с общим эмиттером (т.е. без резистора эмиттер/«земля»), и если усилитель предназначен для сигналов переменного тока, межкаскадная связь часто является ёмкостной с делителями напряжения, подключёнными к каждой транзисторной базе для надлежащего смещение каждого этапа.

Схемы радиочастотных усилителей часто имеют трансформаторную связь с конденсаторами, подключёнными параллельно обмоткам трансформатора для настройки резонанса.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 3. Схематическая диаграмма для SPICE: многокаскадный усилитель.
Рис. 3. Схематическая диаграмма для SPICE: многокаскадный усилитель.

Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

Multi-stage amplifier * Многокаскадный усилитель
vsupply 1 0 dc 12
vin 2 0
r1 2 3 100k
r2 1 4 10k
q1 4 3 0 mod1
r3 4 7 100k
r4 1 5 10k
q2 5 7 0 mod1
r5 5 8 100k
r6 1 6 10k
q3 6 8 0 mod1
rf 3 6 1meg
.model mod1 npn bf=200
.dc vin 0 2.5 0.1
.plot dc v(6,0) v(2,0)
.end

Эта симуляция отображает выходное напряжение в зависимости от входного напряжения и позволяет сравнивать эти переменные в числовой форме: список цифр напряжения будет напечатан слева от графика. Вы можете рассчитать коэффициент усиления по напряжению, взяв любые две точки анализа и разделив разницу выходных напряжений на разницу входных напряжений, как вы это делаете для реальной схемы.

Поэкспериментируйте с различными значениями сопротивления обратной связи (rf) и посмотрите, как это повлияет на общий коэффициент усиления по напряжению. Вы замечаете закономерность? Вот подсказка: общий коэффициент усиления по напряжению может быть точно аппроксимирован с помощью величин сопротивления r1 и rf без привязки к каким-либо другим компонентам схемы!

См.также

Внешние ссылки