4.2. Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, транзисторов для них и способа их включения

Если требуется предоконечный каскад, то аналогично описанному требуется привести его принципиальную схему, выбрать транзисторы и т. д. Если по обоснованию он не требуется, то можно приступать к обоснованию принципиальных схем и выбору транзисторов каскадов предварительного усилителя. Выбор схем и транзисторов для них производят также, как и для предоконечного каскада усилителя. В большинстве случаев каскады предварительного усиления удаётся сделать реостатными. Обычно транзисторы в этом случае, как и для предоконечного каскада, включают с ОЭ, т. к. это позволяет получить от каждого каскада наибольшее усиление.

Транзистор входного каскада усилителя при высоком сопротивлении источника сигнала (более 10 к) целесообразно включать по схеме с ОК, можно предусмотреть каскад на полевом транзисторе или для этих целей представляет интерес использования биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT – insulated gate bipolar transistor).

Принципиальную схему предоконечного каскада, последнего в предварительном усилителе (напомним, если по обоснованию этот каскад необходим) выбирают в зависимости от схемы оконечного каскада. В случае трансформаторного двухтактного оконечного каскада с транзисторами одной проводимости, предоконечный каскад выполняют инверсным.

Если требуемую амплитуду тока сигнала входной цепи оконечного каскада можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора предоконечного каскада, то предоконечный каскад может быть выполнен реостатным. Если это невозможно и, например, если по обоснованию требуется мощный предоконечный каскад, то его лучше сделать трансформаторным. В этом случае он рассматривается как каскад мощного усиления на необходимую мощность сигнала входной цепи оконечного каскада.

При реостатной схеме предоконечного каскада транзистор выбирают по требуемой амплитуде тока сигнала и верхней граничной частоте. Если выбранное напряжение питания при этом слишком велико, его снижают включением в выходную цепь гасящего сопротивления (фильтра) или делителя напряжения. Для трансформаторного варианта предоконечного каскада транзистор выбирают по требуемой мощности сигнала входной цепи оконечного каскада и граничной частоте.

Дальнейший эскизный расчёт ведётся по предложенной методике.

По завершению эскизного расчёта, составления блок-схемы и принципиальной схемы всего усилителя, переходят к детальному электрическому расчёту оконечного каскада и предоконечного каскада, если его необходимость обоснована.

4.3. Оконечные каскады усиления

Оконечные каскады УНЧ, обеспечивающие большую выходную мощность на нагрузке, чаще всего выполняют по трансформаторной схеме, так как заданное фактическое сопротивление нагрузки каскада обычно отличается от того сопротивления, при котором транзистор имеет оптимальный режим работы. Транзисторы здесь должны работать в режиме больших сигналов, близких к предельно допустимым. Поэтому такие каскады рассчитывают графоаналитическим методом по входным и выходным статическим и динамическим характеристикам транзисторов, заимствованными либо из справочников либо из заводских ТУ на транзисторы.

Транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим работы выбирают в основном из условий обеспечения заданной выходной колебательной мощности и высокого кпд при допустимых нелинейных и частотных искажений. Уровень искажений особенно важно учитывать при организации источника питании от различных элементов питания или аккумуляторов, так как оконечный каскад чаще всего является главным потребителем энергии.

Оконечные каскады могут быть собраны по однотактной или по двухтактной схеме. Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор и получить достаточно малый коэффициент гармоник К_г = (2-7)%, однако она работает только в режиме А и теоретически не может дать кпд выше 50% (практически до 48%). При этом нужно учесть, что в режиме «молчания» усилитель потребляет большую энергию.

Двухтактная схема (в режиме В) теоретически может обеспечить кпд до 78% (практически до 75%). Минимальный коэффициент гармоник К_г при этом примерно равен 6-10%. Габариты выходного трансформатора из-за отсутствия тока подмагничивания значительно уменьшаются. Выходная мощность достигает величины, в 1,5 раза большей, чем мощность, рассеиваемая на коллекторах триодов.

Двухтактный каскад в режиме АВ обеспечивает меньшие нелинейные искажения, чем в режиме В, но имеет меньший кпд и меньшую выходную мощность (но всё же в 1,3 раза больше рассеиваемой на коллекторах триодов).

Двухтактные схемы на транзисторах большой мощности можно выполнять и без выходных трансформаторов, так как сопротивление нагрузки, при котором транзистор имеет оптимальный режим работы, можно получить равным или близким к заданному фактическому. Эти каскады делают только двухтактными, чтобы исключить протекание постоянной составляющей коллекторного тока через нагрузку. Такие каскады мощного усиления позволяют значительно уменьшить габаритные размеры, вес и стоимость усилителя, повысить его надёжность и избавиться от нелинейных и частотных искажений, вносимых трансформатором. В таких схемах опасны короткие замыкания нагрузки. В бестрансформаторных каскадах можно применить транзисторы с различной проводимостью (дополнительная симметрия). Для обеспечения малых нелинейных и частотных искажений транзисторы в плечах двухтактного усилителя подбирают так, чтобы их граничные частоты и коэффициенты усиления отличались не больше чем на 20%.

В оконечных каскадах транзисторы могут быть включены любым, как уже говорилось выше, из трёх известных способов. Напомним кратко об этом.

Схема с общей базой (ОБ) обеспечивает наименьшие нелинейные искажения и сравнительно малое усиление мощности. Параметры каскадов при этом мало зависят от температуры окружающей среды и замены транзисторов, поэтому в двухтактных схемах при данном включении транзисторов их коэффициенты усиления могут отличаться до 30%.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивает наибольшее усиление, но вносит сравнительно большие нелинейные искажения.

Схема с общим коллектором (ОК) чаще применяется в бестрансформаторных двухтактных усилителях, обеспечивает примерно такое же усиление, как схема с ОБ, и несколько меньшие нелинейные искажения, чем схема с ОЭ. При этом входное сопротивление каскада – самое высокое. Параметры же каскада мало зависят от изменения температуры окружающей среды и замены транзисторов.