Flerstegs forsterker - Multistage amplifier
En flertrinns forsterker er en elektronisk forsterker som består av to eller flere ett-trinns forsterkere som er koblet sammen. I denne sammenhengen er et enkelt trinn en forsterker som bare inneholder en enkelt transistor (noen ganger et par transistorer) eller annen aktiv enhet. Den vanligste årsaken til å bruke flere trinn er å øke forsterkningen av forsterkeren i applikasjoner der inngangssignalet er veldig lite, for eksempel i radiomottakere . I disse applikasjonene har et enkelt trinn utilstrekkelig gevinst i seg selv. I noen design er det mulig å oppnå mer ønskelige verdier for andre parametere som inngangsmotstand og utgangsmotstand .
Tilkoblingsordninger
Det enkleste og mest vanlige tilkoblingsopplegget er en kaskadetilkobling av identiske eller lignende trinn som danner en kaskadeforsterker . I en kaskadekopling, hvis utgang port er av et trinn er koblet til inntaket til den neste. Vanligvis er de enkelte stadiene bipolare kryssstransistorer (BJT) i en vanlig emitterkonfigurasjon eller felt-effekt-transistorer (FET) i en felles kildekonfigurasjon . Det er noen applikasjoner der den vanlige basekonfigurasjonen foretrekkes. Felles base har høyspenningsforsterkning, men ingen strømforsterkning. Den brukes i UHF TV- og radiomottakere fordi den lave inngangsmotstanden er lettere å matche med antenner enn vanlig sender. I forsterkere som har en differensialinngang og som er nødvendig for å sende ut et differensialsignal, må trinnene være differensialforsterkere, for eksempel langhalede par . Disse stadiene inneholder to transistorer for å håndtere differensialsignalering .
Mer komplekse ordninger kan brukes med forskjellige stadier som har forskjellige konfigurasjoner for å lage en forsterker hvis egenskaper overskrider egenskapene til et ett-trinn for flere forskjellige parametere, for eksempel forsterkning, inngangsmotstand og utgangsmotstand . Det siste trinnet kan være en vanlig kollektorkonfigurasjon for å fungere som en bufferforsterker . Vanlige kollektortrinn har ingen spenningsøkning, men høy strømforsterkning og lav utgangsmotstand. Den belastning kan således trekke høy strøm uten å påvirke forsterkerens ytelse. Noen ganger blir det funnet en kaskodetilkobling (felles emitterstadium etterfulgt av felles basestadium). Lydforsterkere vil vanligvis ha en push-pull-utgang som siste fase.
Generelle negative tilbakemeldinger kan brukes på forsterkeren. Dette reduserer spenningsøkning, men har flere ønskelige effekter; inngangsmotstanden økes, utmatningsmotstanden reduseres og båndbredden økes.
Samlet gevinst
Komplikasjonen ved beregning av gevinsten i kaskadetrinn er den ikke-ideelle koblingen mellom trinnene på grunn av belastning. To vanlige emittertrinn i kaskade er vist. Fordi inngangsmotstanden til det andre trinnet danner en spenningsdeler med utgangsmotstanden i det første trinnet, er den totale forsterkningen ikke produktet av de enkelte (separerte) trinnene.
Den samlede gevinsten til en flertrinns forsterker er produktet av gevinsten i de enkelte trinnene (ignorerer potensielle lasteffekter ):
- Gevinst (A) = A 1 *A 2 *A 3 *A 4 *... *A n .
Alternativt, hvis forsterkningen til hvert forsterkertrinn uttrykkes i desibel (dB), er den totale forsterkningen summen av gevinsten til de enkelte trinnene:
- Gevinst i dB (A) = A 1 + A 2 + A 3 + A 4 + ... A n
Kobling mellom trinn
Det er en rekke valg for metoden for å koble forsterkertrinnene sammen. I den direktekoblede forsterkeren , som navnet antyder, er trinnene forbundet med enkle ledere mellom utgangen til det ene trinnet og inngangen til det neste. Dette er nødvendig der forsterkeren må fungere ved likestrøm, for eksempel i instrumenteringsforsterkere , men har flere ulemper. Den direkte forbindelsen får forspenningskretsene til tilstøtende kretser til å samhandle med hverandre. Dette kompliserer designet og fører til kompromisser med andre forsterkerparametere. Likestrømforsterkere utsettes også for drift som krever nøye justering og komponenter med høy stabilitet.
Der DC -forsterkning ikke er nødvendig, er et vanlig valg RC -kobling . I denne ordningen er en kondensator koblet i serie mellom trinnutganger og innganger. Siden kondensatoren ikke vil passere DC, kan sceneforskjellene ikke samhandle. Utgangen til forsterkeren vil ikke drive fra null når det ikke er noen inngang. Den kapasitans (C) for kondensatoren og inngangs- og utgangsmotstander i fasene danner et RC-krets . Dette fungerer som et grovt høypassfilter . Kondensatorverdien må gjøres stor nok til at dette filteret passerer den laveste frekvensen av interesse. For lydforsterkere kan denne verdien være relativt stor, men ved radiofrekvenser er den en liten komponent av ubetydelig kostnad sammenlignet med den totale forsterkeren.
Transformatorkobling er en alternativ vekselstrømskobling. Som RC -kobling, isolerer den DC mellom trinnene. Imidlertid er transformatorer større og mye dyrere enn kondensatorer, så de brukes sjeldnere. Transformatorkobling kommer til sin rett i avstemte forsterkere . Den induktans av transformator viklingene tjener som spole av en LC-avstemt krets . Hvis begge sider av transformatoren er innstilt kalles den en dobbeljustert forsterker . Staggered tuning er hvor hvert trinn er innstilt på en annen frekvens for å forbedre båndbredden på bekostning av forsterkning .
Optisk kopling oppnås ved bruk av opto-isolatorer mellom trinnene. Disse har fordelen av å gi fullstendig elektrisk isolasjon mellom trinnene, så gir DC isolasjon og unngår interaksjon mellom trinn. Noen ganger utføres optisk isolasjon av elektriske sikkerhetshensyn. Den kan også brukes til å gi en balansert til ubalansert overgang.