Что такое каскад в электронике

Что такое каскад в электронике

Как правило, каскад, это законченный "элемент" схемы, выполняющий одну-несколько функций. Например, усилитель состоит из каскада предварительного усиления, промежуточного, регулятора тембра и мощного выходного каскада. Как правило, обычно это те элементы, которые рассчитываются и проектируются независимо от других каскадов и они могут применяться как самостоятельный и законченный элемент.

Конечно, тут есть и условности. Но это везде так. В одном месте штыковая и ковшовая лопата это отдельные виды лопат, в другом месте они все просто "лопата", а в третьем месте они состоят из древка, плоской части, крепления . .

Это такой кусок схемы, который нельзя разъять на компоненты без потери функциональности этого куска. Вот разъять схему на каскады — это запросто, при этом каждый каскад сам по себе сохранит свою работоспособность и свою функцию. Но выкиньте компонент из каскада — и он превратится в кучу деталек, практически бесполезную.

Как правило, сердцем каскада, его основным компонентом является какой-нибудь активный элемент — лампа или транзистор. Причём не обязательно один — есть и многотранзисторные каскады, которые всё равно остаются одним каскадом (например, дифференциальный каскад, или выходной каскад на комплиментарных транзисторах). Характерная особенность любого каскада — что у него есть чётко локализуемые вход и выход. То есть для каждого каскада можно указать, что вот это точки, куда подаётся входной сигнал (от предыдущего каскада или от источника обрабатываемого сигнала), и вот это — точки, откуда снимается выходной сигнал. Таких точек может быть одна, а может быть и две (для дифференциальных каскадов или каскадов расщепления фазы).

что такое каскад в электронике

Автор Algiz задал вопрос в разделе Техника

что такое каскад в электронике? простыми словами объясните пожалуйста зачем и что такое каскад и получил лучший ответ

Ответ от Sky youth[гуру]
Взять, к примеру, схему мощных компьютерных колонок. Нам надо усилить сигнал с компа, скажем, в 100 раз.
Сначала усиливаем микросхемой в 20 раз (допустим больше она выдать не может) — это первый каскад. Нам надо еще усилить, и мы дорисовываем в схему еще один каскад на мощных транзисторах. И теперь у нас схема с двухкаскадным усилителем. Если простыми словами, что бы понять, то вот так.

Каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады, в которых транзистор включен по схеме с ОЭ, наиболее часто применяются в качестве предварительных каскадов усилителей, а также в качестве выходных каскадов в усилителях малой мощности. Этому способствует то, что каскад с ОЭ характеризуется наибольшими значениями коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности по сравнению со схемами включения транзистора с ОК и ОБ.

Типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (с нагрузкой, включенной в коллекторную цепь транзистора) приведена на рисунке 2.30. Назначение большинства элементов схемы изложено в подразделе 2.5, а блокировочного конденсатора Сб – в подразделе 2.6.

Входное переменное напряжение подается на базу транзистора через разделительный конденсатор Ср1. С выхода усилителя в нагрузку с сопротивлением Rн усиленное переменное напряжение подается через разделительный конденсатор Ср2.

Все конденсаторы в схеме выбирают таким образом, чтобы для переменного тока их сопротивление на частотах в пределах полосы пропускания усилителя было незначительным.

Для определения основных параметров усилительного каскада, собранного по схеме с ОЭ, воспользуемся его эквивалентной схемой в области средних частот, когда параметры всех элементов схемы имеют только действительные значения (рисунок 2.31).


Рисунок 2.31 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области средних частот

Читайте также:  Сучкорезы для обрезки деревьев с храповым механизмом

Используя эквивалентную схему, запишем аналитические выражения для определения основных параметров усилительного каскада на средних частотах (в пределах полосы пропускания): KU, KI, Rвх и Rвых.

Если не учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала Rг, то входное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе будет определяться параллельным соединением резисторов базового делителя R1, R2 и входного сопротивления транзистора h11Э.

Таким образом, можно записать:

. (2.59)

Для нахождения входного сопротивления транзистора h11Э можно воспользоваться формулой:

, (2.60)

где – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера;

– омическое сопротивление базовой области транзистора;

h21Э = bст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора, численное значение которого для транзисторов разных типов приводится в справочной литературе.

Обычно входное сопротивление транзистора h11Э и сопротивление резистора R2 составляют сотни ом – единицы килоом. Следовательно, входное сопротивление каскада с ОЭ является относительно низким.

Выходное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе определяется параллельным соединением резисторов Rк, Rн и выходного сопротивления транзистора, то есть

. (2.61)

Выходное сопротивление транзистора на практике составляет десятки – сотни килоом, сопротивление резистора Rк – сотни ом – единицы килоом. Поэтому для выполнения примерного равенства (2.61) должно выполняться неравенство Rн >> Rк.

Коэффициент усиления напряжения каскада определяется выражением

, (2.62)

где RК экв – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора на переменном токе, которое может быть определено по формуле

. (2.63)

Коэффициент усиления тока каскада равен:

(2.64)

Проанализируем работу каскада в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот (рисунок 2.32).

Рисунок 2.32 – АЧХ усилительного каскада

В области низких частот необходимо учитывать влияние на коэффициент усиления каскада сопротивления разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, а также блокировочного конденсатора Сб.

Для оценки частотных свойств каскада используем комплексный коэффициент усиления напряжения, который в области низких частот будет иметь вид

. (2.65)

В выражении (2.65) буквами и обозначены входное комплексное сопротивление каскада и комплексное сопротивление нагрузки. Комплексный характер данных сопротивлений обусловлен наличием разделительных Ср1, Ср2 и блокировочного Сб конденсаторов. С учетом наличия этих конденсаторов, полагая, что Сб >> Ср, для коэффициента усиления напряжения можно получить выражение

, (2.66)

где KU – коэффициент усиления каскада на средних частотах (рисунок 2.32);

w – значение текущей угловой частоты от 0 до wн.

Как видно из рисунка, в области низких частот имеет место спад АЧХ (уменьшение коэффициента усиления напряжения), обусловленный наличием разделительных и блокировочного конденсаторов. Для определения нижней граничной частоты полосы пропускания усилителя можно воспользоваться выражением

(2.67)

. (2.68)

С учетом усилительных свойств транзистора емкость блокировочного конденсатора Cб должна быть приблизительно в h21Э раз больше, чем емкости разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, то есть Сб » Cр×h21э (на практике Сб выбирают емкостью сотни микрофарад).

Рассмотрим работу резисторного каскада в области высоких частот. На частотах, превышающих wн, сопротивлением разделительных и блокировочных конденсаторов можно пренебречь. Однако на этих частотах существенную роль на усилительные свойства каскада оказывает емкость коллекторного перехода СК. С учетом этого выражение для коэффициента усиления каскада в области ВЧ можно записать в виде

, (2.69)

tвн = СК(Rк // Rн) – постоянная времени, учитывающая влияние нагрузки, где СК = 1 . 80 пФ и зависит от типа транзистора;

tвVT = 0,05-5 микросекунд – постояннаявремени, учитывающая частотные свойства транзистора;

w – значение текущей угловой частоты от wв до ¥.

Верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя wв (рисунок 2.32) можно найти из выражения

Читайте также:  Как отрегулировать офисное кресло по высоте

(2.70)

Из анализа каскада с ОЭ можно сделать ряд выводов:

— усилительный каскад с ОЭ позволяет получить высокий коэффициент усиления напряжения и тока (а, следовательно, и мощности);

— каскад имеет относительно небольшое входное и, наоборот, относительно большое выходное сопротивления (это можно отнести к недостаткам усилителя с ОЭ);

— в пределах полосы пропускания каскад обеспечивает изменение фазы сигнала на 180°;

— ширина полосы пропускания усилителя существенно зависит от правильного выбора емкости разделительных и блокировочных конденсаторов (область НЧ), а также от частотных свойств транзистора (область ВЧ).

Каскад с общей базой

Усилительный каскад с общей базой носит название повторителя тока. Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом усиления по току KI = 1. Повторители тока, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Типовая схема повторителя тока на биполярном транзисторе (каскад с ОБ) приведена на рисунке 2.33.


Рисунок 2.33 – Усилительный каскад с ОБ

Отсутствие усиления тока в усилительном каскаде с ОБ является главным недостатком данной схемы. Поэтому схема с ОБ в каскадах предварительного усиления применяется реже, чем схема с ОЭ. Однако схема с ОБ обладает и рядом преимуществ. Во-первых, каскад с ОБне инвертирует входного сигнала (то есть в пределах полосы пропускания фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают). Во-вторых, ширина полосы пропускания в каскаде с ОБ больше, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область ВЧ).

Эквивалентная схема каскада с ОБ представлена на рисунке 2.34. Воспользуемся этой схемой для составления математических соотношений, позволяющих определять основные параметры каскада с ОБ.


Рисунок 2.34 – Эквивалентная схема каскада с ОБ для области средних частот

Входное сопротивление каскада равно:

, (2.71)

где h21Б – коэффициент передачи тока со входа на выход транзистора в схеме с ОБ (h21Б = aст = 0,95 … 0,998).

Значения дифференциального сопротивления эмиттерной области rЭ, как правило, не превышают несколько десятков ом, поэтому входное сопротивление каскада с ОБ, как минимум в (1 + h21Э) раз, меньше, чем каскада с ОЭ.

Выходное сопротивление каскада такое же, как и в каскаде с ОЭ (то есть определяется выражением (2.61)):

Коэффициент усиления напряжения каскада с ОБ в области средних частот равен

. (2.72)

Из выражения (2.72) следует, что поскольку aст > Rн коэффициент усиления тока KI » aст. Из выражения (2.73) следует, что в каскаде с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.

Как видно из схемы (рисунок 2.33), каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное rЭ.

Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:

— уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;

— более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;

— глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;

— нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость СКБ;

— входной сигнал передается на выход без изменения фазы.

Каскад с общим коллектором

Каскад, в котором транзистор включен по схеме с ОК, еще известен как эмиттерный повторитель (повторитель напряжения). Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 2.35.

Читайте также:  Компот из тыквы вкусный


Рисунок 2.35 – Усилительный каскад с ОК

В схеме с ОК назначение элементов R1, R2, Cp1 и Cp2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор Rэ выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Эквивалентная схема каскада с ОК представлена на рисунке 2.36. Воспользуемся схемой и получим математические соотношения для расчета основных параметров каскада.


Рисунок 2.36 – Эквивалентная схема повторителя напряжения для области средних частот

Обозначим через Rэкв сопротивление в выходной цепи каскада: . Тогда входное сопротивление каскада с ОК равно

. (2.74)

Если Rэ > Rвх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредственную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Выходное сопротивление каскада можно найти, используя выражение:

. (2.76)

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи тока базы и низкоомном источнике входного сигнала можно полагать

. (2.77)

Поскольку дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rЭ сильно зависит от тока эмиттера iЭ, то с увеличением тока эмиттера сопротивление rЭ существенно уменьшается и, соответственно, существенно уменьшается Rвых. В используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, Rвых = 100 . 200 Ом.

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что rЭ > Rн, при выполнении условия Rн > Rэ выражение (2.78) можно записать в виде

. (2.79)

Анализ выражения (2.79) показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ всегда меньше единицы. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может достигать значений KU = 0,9 . 0,9995.

Коэффициент усиления тока в каскаде с ОК может быть найден с учетом допущений: rЭ > Rэ÷çRн. При этом выражение для коэффициента усиления тока примет вид

. (2.80)

Как видно из (2.80), коэффициент усиления тока каскада с ОК значительно больше единицы, но меньше, чем каскада с ОЭ при использовании того же транзистора. За счет большого усиления по току в каскаде с ОК обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, по сравнению с каскадом с ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется следующими параметрами:

высоким входным и низким выходным сопротивлением;

— коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

— коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

— полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область НЧ).

Одним из достоинств эмиттерного повторителя является то, что амплитуда входного сигнала для режима класса А может достигать половины напряжения источника питания, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих (буферных) каскадов.

Ссылка на основную публикацию
Что появляется весной на деревьях
Татьяна Гребенюкова Прогулка «Первые листья на деревьях» Тема: «Первые листья на деревьях» Задачи: Формировать у детей умение целенаправленно осуществлять наблюдение,...
Чем покрыть крышу дома на даче
Выбор кровельного материала для дачи — довольно важный момент. При покупке основное внимание следует уделять техническим и эксплуатационным показателям, и...
Чем полезен настой из калины
Мы знаем про отвары все! Калина (латинское название Viburnum) – дерево семейства Адоксовые, произрастающее, в основном, в Северном полушарии. В...
Что приготовить из филе сома
Уха в домашних условиях 4.5 9 Перед вами - простой рецепт приготовления ухи простой в домашних условиях. Для приготовления ухи...
Adblock detector