39. Основные элементы и параметры усилительного каскада.

Каскодный усилитель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE)

Схема усилительного каскада

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)

• Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

• Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.

• Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.

• Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.

Параметры:

Важнейший параметр — коэффициент усиления каскада: К = U_mвых/U_mвх = U_mR/U_mg.

Точнее К надо называть коэффициентом усиления каскада по напряжению, но принято слова «по напряжению» опускать.

Усиление переменного тока оценивается коэффициентом усиления каскада по току K_i, который равен отношению амплитуд выходного и входного тока: K_i = I_mвых/I_mвх = I_ma/I_mg

Результат работы усилительного каскада характеризуется также его полезной или выходной мощностью Р_вых, т.е. мощностью переменного тока в нагрузке:

Р_вых =0,5 I_ma U_mR =0,5 I_ma ²R_H =0,5 U_mR²/ R_H

Параметром усилительного каскада является также его коэффициент полезного действия. Принято рассматривать КПД по анодной цепи, равный отношению полезной мощности Р_вых к мощности постоянного тока Р₀, подводимой от источника напряжения E_а:

η = Р_вых / Р₀

Мощность Р₀ есть произведение ЭДС источника Е₂ на постоянную составляющую анодного тока I_{а ср}: Р₀ = I_{а ср} E_а.

Таким образом, КПД показывает, какая часть мощности, затраченной анодным источником, превращается в полезную мощность усиленных колебаний.

Разность Р₀ и Р_вых есть мощность потерь: Р_вых = Р₀ - Р_вых

Один из важных параметров усилительного каскада — его входное сопротивление R_вх, которое каскад оказывает источнику колебаний. Оно имеет активную и реактивную составляющую. Последняя является сопротивлением входной емкости лампы. На низких частотах это реактивное сопротивление очень велико, а поскольку активное и реактивное соединены параллельно, то допустимо считать входное сопротивление чисто активным.