Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989

4.16. КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ

С КОРРЕКЦИЕй

Если в каскады вводить дополнительные корректи­

рующие элементы, то можно расширить их полосу про­

пускания. Коррекции в зависимости от области ее влия­

ния подразделяют на высоко- и низкочастотную. Высо­

кочастотная коррекция позволяет получить определенный

выигрыш в площади усиления и максимум Ачх

в области верхних частот. При низкочастотной коррек­

ции максимум АЧХ оказывается в области нижних ча­

стот. КОРJtектирующие элементы используются и для

обеспечения устоiiчивости усилителей с ОС.

Среди высокочастотных коррекций наибольшее рас­

пространение получила эмиттерная. Каскад, в котором

применяется эмиттерная коррекция, отличается от кас­

када на рис. 4.54, б только тем, что емкость конденсато­ ра эмиттерной цепи Са выбирается небольшой (десят­

ки пикофарад). В этом случае организуется частотно­

зависимая отрицательн~я ОС, которая позволяет иметь желаемую АЧХ.

ДЛЯ анализа каскада с высокочастотной эмиттерной

коррекцией строится унисторный граф каскада (рис. 4.57, а), который описывается уравнениями

Рl = - Y21 ;	Р2 = (У21 + УН) (У21 + Y2J;
д1 = Ун + У91 + У22 + Y~; д2 = 1;		(4.185)
д' = Ун У22-	У21 Уз·

Знаменатель выражения для коэффициента усиления

определяется из графа (рис. 4.57, б)

1 -Yz, J

о)

Рис, 4.57. Унисторный граф каскада с змиттерноii коррекцией (а) и подграф (б)

23(

~ = (УН + У21 + Уэ) (У22 + Y\!J + (УН + Y21 ) У22 + + (УН- У21) (Yj.l + У21 + Уз) = УЭ (У22 + УН) +

+ УН (У11 + У21 + У22) + У11 У22·	(4.186)
В результате коэФФициент усиления каскада
!5 = - (У21 Уз + УН У22)L(Уэ (У22 + Уи) +
+ У1\(Уll + У'21 + y~) + YllY~'	(4.187)
При уэ=оо
!5 = - У217(У22 + Уи)'	(4.188)

ЦеJIЬ коррекции - получение fC2>fc!. Этого можно

добиться, обеспечив резонансный характер АЧХ в об­

ласти верхних частот с учетом частотных свойств про­

водимостей У22 и Уз. Запишем коэффициент усиления каскада в операторной форме

К (р) = аlР + а{)/(Ь2р2 + Ь1 Р + Ьо),			(4.189)
где ао = Уllg~2-У21gэ; a1 = УllСВЫХ-У21СЗ;
ЬО	= gэ (УН + g2J + УН (У11 + Y21)	+ (У11 + УН) g22;
Ь1	= gэ Cnwx + СЭ (УН + g22) + СВЫХ (УН + У11);
Ь2 = СВЫХ Св'
Частота резонанса
(00 = УЬ'/Ь2 ~ y;";Y'-н;-ОУ-21/"'-С'-В-ЫХ-С=Э'			(4.19J)
Таким образом, I10дбором емкости		Са можно	получить
необходимую частоту резонанса, а		подбором	gэ изме­

нить частоту среза (е.2. АЧХ. ДО корре1ЩИИ частота среза

!Сl = (Ун + g22)/2nCBblX ~ У,н/2nСвых.

(4.191)

После коррекции с учетом (4.190) и (4.191)

'С2 = !Сl[l + (g~ + УН + YIJ/4Y21J.

До коррекции коэффициент усиления в области средних

частот

!s = - У:и/(g22 + УJ ~ У:н!Ун.

После введения коррекции коэффициент усиления в об­

ласти нижних и средних частот

!5 = aJbo ~- g/Уи•

232

/J((tll

-1<-

	I
L	---- ----~
	___________ +~---
fl	I	1" 1		I Z
	I	I "	"	\
	I	I		I
	I	I

/(109)

Рис. 4.58. Амплитудно-частотные характеристики каскада:

1 - беэ эмиттериой коррекции; 2 - с эмиттерной коррекrщей

Поскольку У21>gэ, то при введении эмиттерной коррекции происходит снижение коэффициента усиления в области

нижних и средних частот из-за действия отрицательной

ОС. ЭТО наглядно показано на АЧХ каскада (рис. 4.58).

В связи с тем, что схемы резисторных каскадов на би­ полярном и полевом транзисторах (см. рис. 4.54) одина­ ковые, то для коррекции АЧХ каскадов на полевых тран­

зисторах может использоваться также истоковая высо­

кочастотная коррекция. Причем выражения, полученные

врезультате анализа эмиттерной коррекции, можно

распространить на истоковую коррекцию при условии,

что выходная емкость заметно меньше входной, а сопро­

тивление наГРУЗIШ в несколько раз меньше внутреннего

сопротивления канала. Коррекция АЧХ каскадов под­

робно рассмотрена в [1-31.

Глава 5 ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

5.1. ВИДЫ ОКОНЕЧНЫХ КАСКАДОВ

И ИХ ОСОБЕННОСТИ

Оконечные каскады усилителей реализуются по-разному в зависимости от их назначения, Известны одно- и ДBYX~ тактные оконечные каскады. В зависимости от вида ЭС

и нагрузки они делятся на резисторные, трансформатор-

233

вые, дроссельные, а ПР" отсутствии ЭС - на бестранс­ форматорные и бесконденсаторные. Общим показателем

оконечных каскадов является высокий уровень усилен­ ного сигнала, который в соответствии с характером со­

противления нагрузки выражается' или номинальной вы­

ходНОй мощностью, или номинальным выход'Ным напря­

жением.

Оконечные каскады, усиливающие высокий уровень

сигнала, потребляют от источников питания большую мощность. Поэтому основными показателями для них яв­

ляются КПД и допустимый коэффициент гармоник. Эко­

номичный режим питания оконечных каскадов обеспечи­

вается за счет лучшего использования УЭ как по напря­

жению, так и по току, а это приводит к возрастанию

нелинейных искажений, которые для усилителей не долж­

ны превышать допустимых.

Отличие коэффициентов использования напряжения

и тока каскадов предварительного усиления и оконечных

каскадов создает ряд специфических особенностей в ра­

боте последних. Эти особенности требуют совсем иного подхода к их анализу. Поскольку основным назначением

оконечных каскадов является выделение в нагрузке та­

кой мощности, которая ДЛЯ УЭ является близкой к пре­ дельной, то выбирается УЭ большой мощности. В резуль­

тате оконечные каскады обычно имеют высокую стои­ мость и потребляют от источников питания значительную

энергию.

В оконечном каскаде КПД зависит от эффективности работы его УЭ, преобразующего энергию источника пи­ тания в энергию полезного сигнала в выходной цепи. Оиа

определяется коэффициентами использования напряже­

ния и тока
6 = Uк.эт/Еl( и ~i = /l(т//К'	(5.1)

Коэффициенты t и ~, в.сегда ограничиваются опреде­ ленными пределами. В связи с этим следует оценить,

возможно ли при полном использовании УЭ обеспечить необходимые напряжения иКЭт и ток 1кт и получить

в нагрузке требуемую мощность. Мощность, напряжение и ток связаны между собой следующим соотношением:

Р2 = О,5UКЭm [Кто

(5.2)

Таким образом, особенности оконечных мощных каскадов связаны не только с большим уровнем усиливаемого

134

сигнала, работой на значительной части ВАХ УЗ. вклю­

чая и целинейные участки, но и с достижением больших коэффициентов использоваlJИЯ напряжения и тока.

Энергетические показатели оконечного каскада при­

нято характеризовать КПД, который представляет собоА отношение отдаваемой полезной мощности сигнала Р2 к потребляемой мощности от источника питания РКО -

=EK1K:

1"\ = Р/РКО = UКЭm lКm/2E~ JK,

(5.3)

Мощность потерь Рп=Рк:о -Р2 расходуется в УЭ, вызы­ вая его нагрев, и в целом ухудшает условия работы УЭ.

Для каждого типа УЭ существует максимаЛЫlО допу­

стимая мощность, которая может рассеиваться на их электродах, не вызывая выхода из строя данного при­

бора.

Мощность, выделяемая в коллекторной области тран­

зистора, повышает температуру коллекторного р-n пе­

рехода, которая не должна превышать определенного

значения. Излучение транзистором тепла в окружающую

среду непосредственно или с помощью радиаторов (теп­ лоотводов) способствует понижению температуры кол­

лекторного р-n перехода и улучшает работу транзисто­

ра. Тепловое излучение УЭ характеризуется тепловым

сопрот~влением, которое приводится в справочниках.

Необходимо отметить, что проблема теплоотвода осо­ бенно усложняется в усилительных каскадах, которые

выполнены по микроэлектронной технологии, так как их

транзисторы не имеют даже такого радиатора, каким яв­

ляется металлический корпус обычных дискретных тран­

зисторов. Это способствует повышению температуры пе­

рехоДов интегральных транзисторов и снижает полезную

мощность, отдаваемую в нагрузку. С увеличением темпе­

ратуры окружающей среды уменьшается тепловое излу­

чение, растет температура коллекторного р-n перехода

и падает мощность, рассеиваемая на нем, что в конечном

счете приводит к снижению полезной мощности в на­

грузке.

Вполне понятно, что чем выше КПД, тем менее мощ­

ный транзистор можно использовать для получения за­ данной мощности, тем экономичнее и дешевле усили­

тель. Отсюда следует, что достижение большого КПД

связано с эффективным использованием УЭ как по току, так и по напряжению. В случае малого сопротивления

235

нагрузки уменьшается UКЭm и, как следствие, падает ;.

При большом сопротивлении нагрузки UКЭm возрастает,

но снижается ток и G/ уменьшается. Чтобы получить вы­

сокий КПД, требуется определенное (оптимальное) со­

противление нагрузки R'I' при котором произведение

UКЭrn/Кm будет максю[аJIЬНЫ~!. Однаl{Q при больших значениях UКЭm/Кrn могут увеличиват"ся нешrнейные ис­

кажения, которые необходимо оценить.

5.2. ОЦЕНКА НЕЛИНЕЙНЫХ

ИСКАЖЕНИй В окОНЕЧНЫХ

КАСКАДАХ

Нелинейные искажения усилителя принято оценивать,

используя сквозную ДХ оконечного K~CKaдa. Сквозная

ДХ дЛЯ оконечного каскада на биполярНом транзисторе

строится с помощью семейства стаТИ1lеских выходных

и динамической входной БАХ транзистора (рис. 5.1). На графике семейства статических выходных БАХ прово­ дится нагрузочная прямая для переменнОГО тока. В точ­

ках пересечения семейства стэ.тически){ выходных БАХ

с нагрузочной прямой для переменногО тока (см. рис. 5.1, а) устанавливается зависимость входного тока (тока

базы) от выходного (тока коллектора). Затем с помощью

динамической входной БАХ (см. рис. 5.1, б) определяют­

ся значения входных напряжений по найденным значени­

ям тока базы и вычисляются значения ЭДС генератора,

который имеет внутреннее сопротивление Rг:
ЕГ=.UБэ+/вRг.		(5.4)
165	i s
16_	165
163	[61
1~2	16з
1б1	152
IК50	1в!
"1<3	О	U&Э

а)

Рис. 5.1. Динамические (нагрузочные) характерИСТИКИ траизистора:

а - выходная; 6 - входная

236

		к
		1"м,
		lK~	---
IИ5
iK		lкз		t
jK~		1Kt
1мз		lК1
		О
lМ1
lМI
О	Br
Рис. 5.2. Сквозная	динами­	Рис. 5.3. Определение нелинеi!ных
ческая характеристика тран­		искажений по сквозноii дииами­
знстора			ческой характеристике

Зависимость iк. :::::;f(er ) , т. е. сквозная ДХ каскада для из­

вестного внутреннего сопротивления генератора и задан­

ной нагрузки, представлена на рис. 5.2. 3а внутреннее сопротивление генератора Rr принимается сопротивление

между выходными выводами предыдущего каскада.

Выходные статические БАХ транзистора при включе­ нии по схеме с ОБ обладают большей линейностью, чем

при включении по схеме с ОЭ, а нелинейности входных

БАХ дЛЯ обоих способов включения транзистора пример­ но одинаковые. Б связи с этим результирующие нелиней­

ные искажения, которые находятся по сквозной дх для

схемы с ОБ, определяются нелинейностью его входной БАХ, причем с увеличением сопротивления Rr эта нели­ нейность уменьшается. Следует отметить, что для схемы

с ОЭ характер нелинеиных искажений, создаваемых не­

линейностью входной БАХ транзистора, противоположен

характеру искажений, образующихся за счет нелинейно­

сти его выходной БАХ, поэтому при некотором сопротив­ лении генератора Rr возможна их взаимная компенсация. Для схемы включения транзистора с ОЭ сквозная ДХ

имеет лучшую линейность при равенстве сопротивления

генератора и входного сопротивления каскада: RBx=Rr.

Для оконечных каскадов усилителей мощности, реа­ лизованных на электронных лампах и работаюIЦИХ без

237

сеточных токов, сквозная ДХ не строится, так как зави­

симость iл =Нег) определяется непосредственно по вы­

ходным статическим ВАХ лампы при построении на них

нагрузочной прямой.

Уровень нелинейных искажений транзисторного кас­

када находится с помощью сквозной ДХ (рис. 5.3). На

вход транзисторного каскада подается синусоидальная

ЭДС, и по сквозной ДХ определяется форма коллектор­

ного тока. При разложении функции, описывающей кол­ лекторный ток, в ряд Фурье находят амплитуды первой и высщих гармони~ тока. Коэффициент гармоник kr рас­ считывается по формуле (1.51).

Поскольку сквозная ДХ строится по типовым стати­ ческим ВАХ транзисторов и действительная ее форма всегда несколько отличается от построенной, результат оценки kr по ДХ носит приближенный характер. Поэто­ му для приближенной оценки kr применяется простой подход, который заключается в следующем. Сквозная ДХ

при отсутствии резких изломов представляется в виде

степенного ряда с четырьмя членами

(5.5)

в (5.5) подставляется синусоидальное выражение ЭДС, тогда коллекторный ток

'1( = /1( + /Ют cos mt + /ют cos 2mt + /1(Зт cos зoot +

(5.6)

Последовательно задавая оо! значения О, n/3, n/2, 2n/3

и 'Л, можно записать пять уравнений с пятью неизвестны-

ми токами /1(' / Кlт' /1(2m' '1(Зт' 11(4m:
[ю = /1( -	[Ют + 'К2т -ll(Зт + [К4т:
1К2 = / к -	0,51Ют -	0,51"-2т + 1кат -	O,511(4m;
11(3 = [1( -/1(2m -/1(4m:			(5.7)
[1(4 = /1( + О,5[Юm -		О,51К2т -lкат -	O,511(4m:
11(5 = [к + /ют + Iк2т + /кат + [К4т'
Значения токов [ю -		[1(5 опредляются	п(l. сквозной ДХ

АЛИ -Егт'; -О.5Егт; О; О,5Егт; Егт соответственно. Ре-

шая систему уравнений (5.7), получ.аем следующие зна­

чения IfOKOB:

11( = (11(1 + иК2 + 2/К4 + /1(5)/6;

/юm = - (11(1 + 11<2 -/К4 -/1(5)/3;

IKZm = (/ю- 2//(J + /Кб)/4;	(5.8)
/ КЭт = - (/ю - 2/1(2 + 2/К4-/КБ)/6;
IK4m = (lю- 41 К2 + 6//(J -	4lК4 + /1(5)/12.

Разности токов удобно заменять соответствующими отрезками а, Ь, с (см. рис. 5.3). В этом случае коэффи­ циенты второй и третьей гармоник, как наиболее значи­

тельные, вычисляются по формулам
kr2 = /К2m//юm = 3 (с - а)/4 (а + Ь + с),	(5.9)
kгз = IкЭт!lют = (с + а - 2Ь)/2 (а + Ь + с).	(5.10)
Результирующий коэффициент гармоник
kr = Vk;2 + k~з,	(5.11)

Из (5.9) и (5.10) следует, что при с=а (амплитуды по­

ложительной и отрицательной полуволн коллекторного

тока равны) kr2 =O, а при а+с=2Ь имеем kгз=О.

Форма сквозной ДХ и длины отрезков а, Ь, с зависят

от внутреннего сопротивления генератора Rr и сопротив­

ления нагрузки каскада Rп. Поэтому, проектируя мощный оконечный каскад, следует так подбирать Rr и Rи, чтобы

их оптимальные соотношения соблюдались для макси­

мальной амплитуды выходного тока этого каскада. Это

позволит обеспечить не60льшие нелинейные искажения

усиливаемого сигнала даже при максимальной ампли­

туде.

5.3. ОДНОТАКТНЫЕ ОКОНЕЧНЫЕ

КАСКАДЫ

Принципиальное различие между однотактным око­

нечным каскадом и каскадом предварительного усиления

заключается не в схемотехнике, а в режимах их работы.

Сигнал, подаваемый на вход оконечного каскада, усили­ вается предварительными каскадами и достигает большо­

го уровня, что приводит К захвату нелинейнЬJХ участков

БАХ УЭ. Кроме того, в оконечном каскаде добиваются

239

полного использования по МОЩНОСТИ УЭ при минималь­

ных нелинейных искажениях, так как это дает определен­ ный экономический выигрыш. Еще одной особенностью

мощного оконечного каскада является графический ме­ тод анализа его работы с помощью треугольников мощ­

ностей.

Различают резисторные, трансформаторные и дрос­ сельные схемы однотактных оконечных каскадов. Рези­

сторные оконечные каскады - это, как правило, каскады

усиления высокого уровня напряжения. К ним условно

относят эмиттерные, истоковые и катодные повторители,

которые анализировались в гл. 4 и для которых получе­

ны расчетные выражения основных параметров. Они

применяются в операционных, широкополосных и им­

пульсных усилителях.

Трансформаторные оконечные каскады получили рас­ пространение в усилительных системах многоканальной

связи, которые обеспечивают заданный уровень выходной мощности. Трансформатор в оконечном каскаде позволя­ ет оптимизировать условия работы УЭ путем преобразо­

вания сопротивления нагрузки в сопротивление, удовлет­

воряющее условиям работы УЭ.

Обычно нагрузка, на которую рассчитан оконечный

каскад, задается и в редких случаях совпадает с опти­

мальным сопротивлением RH. Поэтому для согласования большого выходного сопротивления УЗ с малым сопро­

тивлением нагрузки используют трансформатор, который позволяет практически любую нагрузку преобразовать

FI оптимальную для данного УЭ. Это осуществляется вы­

бором коэффициента трансформации, т. е. подбором

числа витков первичной N, и вторичной N2 обмоток транс­ форматора,

nт = N2/N1 = VR\I/RDblX '

Так как сопротивление первичной обмотки трансформа­

тора постоянному току Ifевелико, то потери напряжения

постоянного тока в трансформаторе настолько незначи­

тельны, что можно считать напряжения источника пита­

ния и на электродах УЗ практически равными. Таким об­

разом, в каскаде с трансформатором на выходе можно

уменьшить потери (увеличить КПД) при низком уровне нелинейных искажений, хотя АЧХ трансформаторного

каскада хуже, чем резисторного. Однако АЧХ оконечно­

го каскада не придают первостепенного значения, по-

240