Wzmacniacz wielostopniowy
Wzmacniacz wielostopniowy to wzmacniacz elektroniczny składający się z dwóch lub więcej połączonych ze sobą wzmacniaczy jednostopniowych . W tym kontekście pojedynczy stopień to wzmacniacz zawierający tylko jeden tranzystor (czasem parę tranzystorów) lub inne aktywne urządzenie. Najczęstszym powodem stosowania wielu stopni jest zwiększenie wzmocnienia wzmacniacza w zastosowaniach, w których sygnał wejściowy jest bardzo mały, np. w odbiornikach radiowych . W tych zastosowaniach pojedynczy stopień sam w sobie nie ma wystarczającego wzmocnienia. W niektórych konstrukcjach możliwe jest uzyskanie bardziej pożądanych wartości innych parametrów, takich jak rezystancja wejściowa i rezystancja wyjściowa .
Schematy połączeń
Najprostszym i najczęściej spotykanym schematem połączeń jest kaskadowe łączenie identycznych lub podobnych stopni tworzących wzmacniacz kaskadowy . W połączeniu kaskadowym port wyjściowy jednego stopnia jest połączony z portem wejściowym następnego. Zazwyczaj poszczególne stopnie to bipolarne tranzystory złączowe (BJT) w konfiguracji ze wspólnym emiterem lub tranzystory polowe (FET) w konfiguracji ze wspólnym źródłem . Istnieje kilka aplikacji, w których wspólna podstawa Preferowana jest konfiguracja. Wspólna podstawa ma wysokie wzmocnienie napięciowe, ale nie ma wzmocnienia prądowego. Stosowany jest w odbiornikach telewizyjnych i radiowych UHF , ponieważ jego niska rezystancja wejściowa jest łatwiejsza do dopasowania do anten niż do wspólnego emitera. We wzmacniaczach, które mają wejście różnicowe i są wymagane do wyprowadzania sygnału różnicowego, stopnie muszą być wzmacniaczami różnicowymi , takimi jak pary z długimi ogonami . Stopnie te zawierają dwa tranzystory do obsługi sygnalizacji różnicowej .
Można zastosować bardziej złożone schematy z różnymi stopniami o różnych konfiguracjach, aby stworzyć wzmacniacz, którego charakterystyka przewyższa charakterystykę jednostopniową dla kilku różnych parametrów, takich jak wzmocnienie, rezystancja wejściowa i rezystancja wyjściowa . Ostatnim etapem może być wspólnego kolektora pełniącego rolę wzmacniacza buforowego . Wspólne stopnie kolektora nie mają wzmocnienia napięciowego, ale mają wysokie wzmocnienie prądowe i niską rezystancję wyjściową. Obciążenie na działanie wzmacniacza. Kaskod _ czasami spotykane jest połączenie (wspólny stopień emitera, po którym następuje wspólny stopień podstawowy). Wzmacniacze mocy audio zazwyczaj mają wyjście przeciwsobne jako ostatni etap.
Para tranzystorów Darlingtona to kolejny sposób na uzyskanie wysokiego wzmocnienia prądowego. W związku z tym emiter pierwszego tranzystora zasila bazę drugiego, przy czym oba kolektory są wspólne. W przeciwieństwie do wspólnego stopnia kolektora, para Darlingtona może mieć zarówno wzmocnienie napięciowe, jak i prądowe. Para Darlingtona jest zwykle traktowana jako pojedynczy etap, a nie dwa oddzielne etapy. Jest podłączony w taki sam sposób, jak pojedynczy tranzystor i często jest pakowany jako pojedyncze urządzenie.
Do wzmacniacza można zastosować ogólne ujemne sprzężenie zwrotne. Zmniejsza to wzmocnienie napięcia, ale ma kilka pożądanych efektów; zwiększa się rezystancja wejściowa, zmniejsza się rezystancja wyjściowa i zwiększa się szerokość pasma .
Ogólny zysk
Komplikacją w obliczaniu wzmocnienia stopni kaskadowych jest nieidealne sprzężenie między stopniami z powodu obciążenia. Pokazano dwa kaskadowe stopnie wspólnego emitera. Ponieważ rezystancja wejściowa drugiego stopnia tworzy dzielnik napięcia z rezystancją wyjściową pierwszego stopnia, całkowite wzmocnienie nie jest iloczynem poszczególnych (rozdzielonych) stopni.
Całkowite wzmocnienie wzmacniacza wielostopniowego jest iloczynem wzmocnień poszczególnych stopni (pomijając potencjalne efekty obciążenia ):
- Zysk (A) = ZA 1 * ZA 2 * ZA 3 * ZA 4 *... * ZA n .
Alternatywnie, jeśli wzmocnienie każdego stopnia wzmacniacza jest wyrażone w decybelach (dB), całkowite wzmocnienie jest sumą wzmocnień poszczególnych stopni:
- Zysk w dB (A) = A 1 + A 2 + A 3 + A 4 + ... A n
Sprzężenie międzystopniowe
Istnieje wiele możliwości wyboru sposobu łączenia stopni wzmacniacza. We wzmacniaczu ze sprzężeniem bezpośrednim , jak sama nazwa wskazuje, stopnie są połączone prostymi przewodami między wyjściem jednego stopnia a wejściem drugiego. Jest to konieczne, gdy wzmacniacz ma pracować przy napięciu stałym, np . ale ma kilka wad. Bezpośrednie połączenie powoduje, że obwody polaryzacji sąsiednich stopni wchodzą ze sobą w interakcję. To komplikuje konstrukcję i prowadzi do kompromisów w zakresie innych parametrów wzmacniacza. Wzmacniacze prądu stałego również podlegają dryfowi wymagających starannej regulacji i wysokiej stabilności elementów.
Tam, gdzie nie jest wymagane wzmocnienie DC, powszechnym wyborem jest sprzężenie RC . W tym schemacie kondensator jest połączony szeregowo między wyjściami stopni i wejściami. Ponieważ kondensator nie przepuszcza prądu stałego, polaryzacje stopnia nie mogą oddziaływać. Wyjście wzmacniacza nie będzie dryfować od zera, gdy nie ma wejścia. Pojemność (C) kondensatora oraz rezystancja wejściowa i wyjściowa stopni tworzą obwód RC . Działa to jak surowy filtr górnoprzepustowy . Wartość kondensatora musi być wystarczająco duża, aby ten filtr przeszedł przez najniższą częstotliwość zainteresowania. W przypadku wzmacniaczy audio wartość ta może być stosunkowo duża, ale ok częstotliwości radiowych jest to niewielki składnik o znikomym koszcie w porównaniu do całego wzmacniacza.
Sprzężenie transformatora jest alternatywnym sprzężeniem prądu przemiennego. Podobnie jak sprzężenie RC, izoluje prąd stały między stopniami. Jednak transformatory są bardziej masywne i znacznie droższe niż kondensatory, więc są używane rzadziej. Sprzężenie transformatora sprawdza się we wzmacniaczach strojonych . Indukcyjność uzwojeń transformatora służy jako cewka indukcyjna obwodu strojonego LC . Jeśli obie strony transformatora są dostrojone, nazywa się to wzmacniaczem podwójnie dostrojonym . Strojenie rozłożone polega na tym, że każdy stopień jest dostrojony do innej częstotliwości w celu poprawy przepustowości kosztem zysku .
Sprzężenie optyczne uzyskuje się za pomocą optoizolatorów między stopniami. Mają one tę zaletę, że zapewniają całkowitą izolację elektryczną między stopniami, dzięki czemu zapewniają izolację DC i unikają interakcji między stopniami. Izolacja optyczna jest czasami wykonywana ze względów bezpieczeństwa elektrycznego. Można go również użyć do zapewnienia zbalansowanego na niezbalansowane .