Flerstegsförstärkare
En flerstegsförstärkare är en elektronisk förstärkare som består av två eller flera enstegsförstärkare sammankopplade . I detta sammanhang är ett enda steg en förstärkare som bara innehåller en enda transistor (ibland ett par transistorer) eller annan aktiv enhet. Det vanligaste skälet till att använda flera steg är att öka förstärkning i applikationer där insignalen är mycket liten, till exempel i radiomottagare . I dessa applikationer har ett enda steg otillräcklig vinst i sig. I vissa konstruktioner är det möjligt att erhålla mer önskvärda värden för andra parametrar såsom ingångsresistans och utgångsresistans .
Anslutningsscheman
Det enklaste och vanligaste anslutningsschemat är en kaskadkoppling av identiska eller liknande steg som bildar en kaskadförstärkare . I en kaskadkoppling utgångsporten för ett steg ansluten till ingångsporten på nästa. Typiskt är de individuella stegen bipolära övergångstransistorer (BJT) i en gemensam emitterkonfiguration eller fälteffekttransistorer (FET) i en gemensam källkonfiguration . Det finns vissa applikationer där den gemensamma baskonfigurationen är att föredra. Gemensam bas har hög spänningsförstärkning men ingen strömförstärkning. Den används i UHF- tv- och radiomottagare eftersom dess låga ingångsresistans är lättare att matcha med antenner än vanliga sändare. I förstärkare som har en differentialingång och som krävs för att mata ut en differentialsignal måste stegen vara differentialförstärkare , t.ex. långstjärtade par . Dessa steg innehåller två transistorer för att hantera differentialsignaleringen .
Mer komplexa scheman kan användas med olika steg med olika konfigurationer för att skapa en förstärkare vars egenskaper överstiger de för ett enstegs för flera olika parametrar, såsom förstärkning, ingångsresistans och utgångsresistans . Det sista steget kan vara en gemensam kollektorkonfiguration för att fungera som en buffertförstärkare . Vanliga kollektorsteg har ingen spänningsförstärkning men hög strömförstärkning och lågt utgångsmotstånd. Belastningen kan alltså dra hög ström utan att påverka förstärkarens prestanda . En kaskodanslutning (gemensamt emittersteg följt av gemensamt bassteg) hittas ibland. Ljudeffektförstärkare har vanligtvis en push-pull-utgång som slutsteg.
Ett Darlington- transistorpar är ett annat sätt att få en hög strömförstärkning. I detta sammanhang matar emittern hos den första transistorn basen av den andra med båda kollektorerna gemensamma. Till skillnad från det gemensamma kollektorsteget kan ett Darlington-par ha både spänningsförstärkning och strömförstärkning. Ett Darlington-par behandlas vanligtvis som ett enda steg snarare än två separata steg. Den är ansluten på samma sätt som en enkel transistor skulle vara, och är ofta förpackad som en enda enhet.
Total negativ återkoppling kan appliceras på förstärkaren. Detta minskar spänningsförstärkningen men har flera önskvärda effekter; ingångsresistansen ökas, utgångsresistansen minskas och bandbredden ökas.
Total vinst
Komplikationen vid beräkning av förstärkningen av kaskadsteg är den icke-ideala kopplingen mellan stegen på grund av belastning. Två kaskadkopplade gemensamma emittersteg visas. Eftersom ingångsresistansen för det andra steget bildar en spänningsdelare med utgångsresistansen för det första steget, är den totala förstärkningen inte produkten av de individuella (separerade) stegen.
Den totala förstärkningen för en flerstegsförstärkare är produkten av förstärkningarna för de individuella stegen (om man ignorerar potentiella laddningseffekter ):
- Förstärkning (A) = A 1 * A 2 * A 3 * A 4 * ... * A n .
Alternativt, om förstärkningen för varje förstärkarsteg uttrycks i decibel (dB), är den totala förstärkningen summan av förstärkningarna för de individuella stegen:
- Förstärkning i dB (A) = A 1 + A 2 + A 3 + A 4 + ... A n
Mellanstegskoppling
Det finns ett antal val för sättet att koppla samman förstärkarstegen. I den direktkopplade förstärkaren , som namnet antyder, är stegen kopplade med enkla ledare mellan utgången på ett steg och ingången på nästa. Detta är nödvändigt där förstärkaren måste arbeta vid DC, såsom i instrumenteringsförstärkare , men har flera nackdelar. Den direkta anslutningen gör att förspänningskretsarna i intilliggande steg interagerar med varandra. Detta komplicerar designen och leder till kompromisser med andra förstärkarparametrar. DC-förstärkare är också föremål för drift som kräver noggrann justering och komponenter med hög stabilitet.
Där DC-förstärkning inte krävs är ett vanligt val RC-koppling . I detta schema är en kondensator kopplad i serie mellan stegutgångar och ingångar. Eftersom kondensatorn inte kommer att passera DC kan inte stegförspänningarna interagera. Utsignalen från förstärkaren kommer inte att glida från noll när det inte finns någon ingång. Kapacitansen för stegen bildar en RC-krets . Detta fungerar som ett grovt högpassfilter . Kondensatorvärdet måste göras tillräckligt stort för att detta filter passerar den lägsta frekvensen av intresse. För ljudförstärkare kan detta värde vara relativt stort, men vid radiofrekvenser är det en liten del av obetydlig kostnad jämfört med den totala förstärkaren.
Transformatorkoppling är en alternativ AC-koppling. Liksom RC-koppling isolerar den DC mellan stegen. Transformatorer är dock skrymmande och mycket dyrare än kondensatorer, så de används mindre ofta. Transformatorkoppling kommer till sin rätt i avstämda förstärkare . Transformatorlindningarnas induktans fungerar som induktorn för en LC- avstämd krets . Om båda sidorna av transformatorn är avstämda kallas det en dubbelstämd förstärkare . Förskjuten tuning är där varje steg ställs in på en annan frekvens för att förbättra bandbredden på bekostnad av förstärkningen .
Optisk koppling uppnås med hjälp av optoisolatorer mellan stegen. Dessa har fördelen att de tillhandahåller fullständig elektrisk isolering mellan stegen, vilket ger DC-isolering och undviker interaktion mellan stegen. Optisk isolering görs ibland av elsäkerhetsskäl. Den kan också användas för att ge en balanserad till obalanserad övergång.