V.2. Резисторный каскад.

Глава V. Каскады предварительного усиления.

V.1. Основные требования и режим работы.

Назначением каскадов предварительного усиления является усиление тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

Для уменьшения количества каскадов предварительного усиления коэффициент усиления каждого каскада желательно иметь наибольшим. Для этого в каскадах предварительного усиления используются УЭ с высоким коэффициентом усиления (транзисторы с большим статическим коэффициентом усиления тока h_21Э) и так выбирают режим работы, положение рабочей точки покоя и электрические данные схемы межкаскадной связи, чтобы получить от каскада наибольшее усиление при допустимых частотных или переходных искажениях.

Вследствие малой амплитуды сигнала в цепях каскадов предварительного усиления расчёт коэффициента усиления, тока и напряжения выходного сигнала таких каскадов обычно производят аналитически, без построения динамических характеристик переменного тока, используя справочные данные для этого транзистора и рекомендованный режим работы.

Для уменьшения нелинейных искажений и повышения стабильности усилителя в каскадах предварительного усиления почти всегда используют режим работы А; это не вызывает затруднений с энергетической точки зрения, так как потребление мощности от источника питания невелико. Из-за малой амплитуды сигнала и работы в режиме А вносимые каскадами предварительного усиления нелинейные искажения ничтожны и расчёт коэффициента гармоник таких каскадов обычно не производят.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером, так как при работе на входную цепь следующего каскада это даёт возможность получить наибольшее усиление. Включение транзистора с ОБ здесь целесообразно лишь для входных каскадов, работающих от источника сигнала с очень низким внутренним сопротивлением (порядка входного сопротивления транзистора при таком включении). В этом случае коэффициент усиления каскада может оказаться не ниже, чем при включении с ОЭ, а многие показатели каскада улучшатся. Включение транзистора с ОК в каскадах предварительного усиления используется лишь в особых случаях для входных или выходных каскадов усилителя, когда эти каскады должны иметь специальные свойства.

Напряжение источника питания оконечного (выходного) каскада усилителя обычно оказывается вполне достаточным для питания всех каскадов предварительного усиления с учётом включения в их цепь питания развязывающих и сглаживающих фильтров. Для сокращения расхода энергии питания транзисторы применяют маломощные, а ток покоя их выходной цепи выбирают возможно малый, лишь обеспечивающий как необходимую амплитуду напряжения сигнала, так и удовлетворительные частотные и усилительные свойства применённого транзистора.

 

Вследствие простоты, дешевизны, малых размеров и хороших характеристик резисторные каскады являются основным типом каскадов предварительного усиления электронных усилителей; они применяются и в качестве выходных каскадов.

Для резисторных каскадов пригодны любые маломощные УЭ с высоким коэффициентом усиления. Принципиальная схема резисторного каскада на

транзисторе, работающем на следующий каскад, показана на рис.5.1.

 

Рис. 5.1. Принципиальная схема резисторного каскада предварительного

усиления.

 

Вспомогательные цепи, имеющиеся на схеме рис.5.1 (цепочки фильтров R_Ф,C_Ф, эмиттерной стабилизации R_Э,C_Э), не являются обязательными для резисторного каскада и могут в нём отсутствовать. Поэтому анализ свойств каскада целесообразно производить без учёта влияния этих цепей. Для этого достаточно предположить, что ёмкость блокировочных конденсаторов этих цепей С_Ф, и С_Э бесконечно велика; тогда их сопротивление для всех частотных составляющих сигнала равно нулю и резисторы R_Ф и R_Э окажутся для переменного тока накоротко замкнутыми и не войдут в эквивалентную схему каскада. С учётом этих допущений и ряда упрощений эквивалентная схема резисторного каскада, изображённого на рис.5.1, примет вид, показанный на рис. 5.2.

 

Рис. 5.2. Эквивалентная схема резисторного каскада с общим эмиттером.

 

В этой схеме С₀ = С_ВЫХ. + С_ВХ.СЛ. + С_М,

где С_ВЫХ. – выходная ёмкость каскада;

С_ВХ.СЛ. – входная ёмкость следующего каскада;

С_М – ёмкость монтажа (монтажных проводов и деталей схемы относительно шасси усилителя. У транзисторных каскадов с впаянными транзисторами при миниатюрных деталях и рациональном их расположении С_М = 2 ¸ 4 пф.).

При подаче на вход резисторного каскада входного сигнала постоянной амплитуды U_ВХ. выходное напряжение U_ВЫХ. будет изменяться с изменением частоты сигнала из-за присутствия в схеме емкостей С_Р и С₀. При понижении частоты сигнала сопротивление разделительного конденсатора С_Р переменному току возрастает, вследствие чего коэффициент усиления каскада падает. Поэтому частотная характеристика резисторного каскада на низких частотах падает с понижением частоты из-за влияния разделительного конденсатора С_Р (рис.5.3).

 

Рис.5.3. Частотная характеристика резисторного каскада.

 

При повышении частоты сигнала сопротивление емкостей С_Р и С₀ переменному току падает, и на высоких частотах ток сигнала, протекающий через ёмкость С₀, резко увеличивается. В результате этого падение напряжения на внутреннем сопротивлении транзистора возрастает, выходное напряжение уменьшается, и частотная характеристика резисторного каскада на высоких частотах падает из-за влияния ёмкости С₀.

Ёмкость разделительного конденсатора С_Р выбирают во много раз больше нагружающей каскад ёмкости С₀, а поэтому в области средних частот конденсатор С_Р обычно не влияет на частотную характеристику, так как его сопротивление на этих частотах ничтожно. Сопротивление же ёмкости С₀ на этих частотах ещё очень велико ввиду малого её значения, ток сигнала через неё очень мал, и она также не влияет на частотную характеристику каскада на средних частотах.

Поэтому рабочую область частот резисторного, а также всякого другого усилительного каскада можно разделить на три области (рис.5.3): область нижних частот, в которой на свойства резисторного каскада влияет переходный (разделительный) конденсатор С_Р; область средних частот,в которой на свойства каскада не влияет ни С_Р, ни С₀, а поэтому частотная характеристика горизонтальна; и область верхних частот, в которой на свойства каскада влияет нагружающая его ёмкость С₀.

Поэтому для облегчения анализа свойств и упрощения расчётов усилительных каскадов полную эквивалентную схему обычно преобразуют в три частные эквивалентные схемы: для нижних, средних и верхних частот, в которые входят только те элементы, которые влияют на свойства каскада в данной области частот. Удалив из схемы рис. 5.2 ёмкость С₀, получим эквивалентную схему для нижних частот; удалив С₀ и замкнув накоротко ёмкость С_Р, получим схему для средних частот, а оставив С₀ и закоротив С_Р, получим схему для верхних частот. Такое преобразование полной эквивалентной схемы в частные схемы для нижних, средних и верхних частот удобно при анализе усилительных каскадов с любой схемой межкаскадной связи, а поэтому часто используется на практике.

Из теории электрических цепей известно, что сдвиг фазы, вносимый реактивными цепями, стремится к пределам, равным + p/2 и - p/2, (т.е. +90° и – 90°) при безграничном понижении или повышении частоты соответственно.

Ток сигнала, текущий через конденсатор С_Р, из-за возрастания емкостного сопротивления конденсатора при понижении частоты опережает по фазе ЭДС источника сигнала на нижних частотах на угол j, стремящийся к 90° при безграничном понижении частоты. Поэтому и выходное напряжение U_ВЫХ., равное произведению этого тока на выходное сопротивление каскада, опережает входное на тот же угол. На верхних частотах выходное напряжение, представляющее собой падение напряжения сигнала на ёмкости С₀, отстаёт от тока сигнала через эту ёмкость, и угол сдвига фазы j между выходным и входным напряжениями при повышении частоты увеличивается, стремясь к – 90°. Этим и объясняется вид фазовой характеристики резисторного каскада (рис.5.4).

 

Рис. 5.4. Фазовая характеристика резисторного каскада.

 

V.3. Трансформаторный каскад.

Вследствие большей стоимости, размеров и веса, а также из-за худших частотных и переходных характеристик трансформаторный каскад предварительного усиления в транзисторных усилителях используется гораздо реже резисторного. В основном его используют в качестве инверсного каскада для работы на двухтактный транзисторный каскад в режиме В. Кроме того, трансформаторный каскад широко используется в качестве входного устройства, а также часто используется как выходное устройство для связи с каскада мощного усиления с нагрузкой.

Принципиальные схемы трансформаторных каскадов показаны на рис.5.5а,б.

а)

 

б)

 

Рис. 5.5. Трансформаторные каскады.

 

В транзисторных каскадах мощного усиления, работающих на следующий каскад (рис.5.5а), использование трансформатора для межкаскадной связи позволяет примерно на порядок повысить усиление мощности сигнала, применить транзистор меньшей мощности и снизить расход энергии питания. В транзисторных усилителях широко используются трансформаторные выходные каскады, где трансформатор служит выходным устройством, связывающим выходную цепь последнего УЭ с внешней нагрузкой и позволяющим получить для УЭ оптимальное сопротивление нагрузки, согласовать выход с сопротивлением нагрузки, а также симметрировать выходную цепь (рис.5.5б). Часто трансформатор используют в качестве входного устройства; это позволяет добиться хорошего согласования источника сигнала с входной цепью УЭ, что снижает необходимую величину усиления и увеличивает динамический диапазон усилителя, а также даёт возможность симметрировать входную цепь.

Транзисторы в трансформаторных каскадах обычно включают с ОЭ или с ОБ. Включение с ОБ применяют для уменьшения нелинейных искажений, а также для стабильности свойств каскада при замене транзистора. Включение с ОК применяется редко.

Контрольные вопросы:

1. Для какой цели используются каскады предварительного усиления?

2. В каком режиме работы целесообразно использовать каскады предварительного усиления и почему?

3. Объясните назначение элементов схемы резисторного каскада, изображённого на рис.5.1.

4. Начертите амплитудно-частотную характеристику резисторного каскада и объясните его форму.

5. Начертите фазо-частотную характеристику резисторного каскада и объясните его форму.

6. Нарисуйте трансформаторный каскад предварительного усиления, поясните назначение элементов схемы. В чём достоинства и недостатки трансформаторной схемы усиления по сравнению с резисторным каскадом?