книги / Электронные усилители

Рйс. 4.9

V *.

Межкаскадный и входной трансформаторы работают в одинако­ вых условиях, так как нагрузкой в обоих случаях является вход­ ная цепь транзистора. Поэтому анализ работы трансформаторного Каскада и трансформаторной входной цепи можно объединить.

Принципиальная схема промежуточного трансформаторного ка­ скада приведена на рис. 4.11,

Напряжение питания на коллектор транзистора в трансформа­ торном каскаде подается через первичную обмотку трансформато­ ра. При этом постоянная составляющая коллекторного тока не создает заметного падения напряжения на малом активном со­ противлении первичной обмотки. Поэтому коллекторное напряже­ ние Uк0 можно считать почти равным напряжению источника пи­

тания, т. е. Um « Ек

Отсутствие потери напряжения в цепи питания является до­ стоинством схемы. Но постоянная составляющая коллекторного тока / к0 создает постоянное подмагннчивание сердечника транс­ форматора, что при насыщении сердечника ведет к увеличению не­ линейных искажений.

Увеличение размеров сердечника позволило бы устранить этот недостаток. Однако во многих случаях оно оказывается невозмож­ ным.

С помощью трансформатора напряжение смещения подается на базу транзистора последующего каскада последовательно с входным сигналом. Поэтому делитель напряжения смещения не шунтирует вход транзистора последующего каскада и выход пре­ дыдущего.

Достоинством трансформаторного каскада является то, что под­ бором соответствующего коэффициента трансформации можно обе-

^печить Наивыгоднейшую нагрузку транзистора и получить при

%ом наибольшие напряжение и мощность сигнала при достаточном

Кпд.

Эквивалентная схема трансформаторного усилительного каска­ да приведена на рис. 4.12. Она состоит из эквивалентных схем ис­ точника сигнала, трансформатора, нагрузки (рис. 4.12,а).

На этой схеме Е нсТ— ЭДС источника сигнала, R llCT — внут­ реннее сопротивление источника, г\ и г2 — активные сопротивления

Первичной и вторичной обмоток трансформатора, Ls\				и Lsz —•
Индуктивности	рассеяния	первичной	м вторичной обмоток, L\ —
Индуктивность	первичной	обмотки,	гп — сопротивление	потерь в
Сердечнике, Стр	— междувитковая емкость трансформатора, R 2 и

С2 — сопротивление и емкость, нагружающие трансформатор. Эту Схему можно упростить. Пренебрегая реактивностями схемы на средних частотах, а также L Si , Ls2 >Стр и С2 вследствие малых

Их значений, получим эквивалентную схему для нижних частот (рис. 4.12, в) .

В области верхних частот сказывается влияние Ls и С0 (рис. 4.12, в,г).

Характеристики трансформаторного каскада. В области нижИих частот характеристики трансформаторного каскада — АЧХ и ФЧХ — определяются влиянием индуктивности первичной обмотки трансформатора L\. С понижением частоты сигнала сопротивление X i = a t уменьшается. При этом ток от источника сигнала возра­ стает, потери напряжения на и Г\ увеличиваются и выходное напряжение уменьшается. В результате АЧХ в области нижних ча­ стот имеет «завал». Причем, «завал» будет тем больше, чем мень­ ше Lb так как чем меньше индуктивность Lh тем меньше ее сопро­ тивление и тем больше она шунтирует R Экв.н •

Частотные искажения в области нижних частот определяются как и в резисторном каскаде:

М а 1+ ( l / t0HT ! l ) '

где тн= L,[/R3Ka.u •

Следовательно, для уменьшения частотных искажений в обла­ сти нижних частот надо увеличивать индуктивность первичной об­ мотки трансформатора путем увеличения количества витков ее.

Частотные искажения в области верхних частот определяются

влиянием индуктивности рассеяния L$	и емкости Со:
M d= V 1 + К тв)' ?
где Тв = С 0R' экв* R 9кв ** R вх.сл I (Rr +	Т\ + г2) .

С увеличением частоты возрастают потери напряжения на Ls- Поэтому выходное напряжение уменьшается. Шунтирующее дейст­ вие емкости Со с увеличением частоты усиливается, что также при­ водит к уменьшению выходного напряжения сигнала.

Влияние Ls и С0 на спад частотной характеристики с повыше-: нием частоты начинает сказываться не одновременно.

в

в

Рис. 4.12

Частотные искажения, вызываемые емкостью Сд, определяются по формуле

м 3(0)

где - П( с) = Cj RSKD(C)

Спад АЧХ, вызванный индуктивностью рассеяния, определяет­ ся по той же формуле, но т ^ Ls ) —L s !L 3KDL

На какой-то частоте Ls и С0 образуют колебательный контур, в результате чего АЧХ имеет выброс А, как показано на рис. 4.13.

Для уменьшения частотных искажений в области верхних частот надо уменьшать индуктивность рассеяния Ls путем секционирова­ ния обмоток трансформатора и чередования секций первичной и вторичной обмоток.

влияние L/

А

Резонанс

Что касается амплитудно-фазовой характеристики, то сдвиг по фазе между выходным и входным напряжением в области нижних частот определяется индуктивностью L\ и сопротивлением Я„ст. Угол сдвига при этом положительный. Он увеличивается с пониже­ нием частоты. На верхних частотах угол сдвига по фазе ф опре­ деляется Ls и С0. В этом случае отрицательный угол сдвига уве­ личивается с повышением частоты.

Расчет каскада предварительного усиления напряжения звуковой частоты

И с х о д н ы е		д а н н ые : напряжение источника			питания £ к;		диапазон уси­
ливаемых частот /н ... /■; амплитуда переменной составляющей							тока	на входе
последующего каскада /вхтсл;			входное	сопротивление		последующего		каскада
Явх.сл; допустимые значения коэффициентов частотных искажений М„ и М
П о р я д о к р а с ч е т а			при* включении транзистора с общим эмиттером,
1.	Выбираем схему каскада
так как она обладает наибольшим усилением (Я21Э).
2.	Для выбора типа транзистора определяем:				и	эмиттером транзистора
а)	допустимое	напряжение	между	коллектором

ИЗ условия £/кэтах>5к;
„ б)		ДОПУСТИМЫЙ ТОК коллектора / к т а х > (1,5 . . . 2,0)				/ тахсл,	ГДе /тахсл	— ВХОД­
НОЙ ток последующего каскада.
	По	ЗНачеНИЯМ	//кэ тах ^/^к»	/к т а х ^	(1,5 . . . 2,0)	/тахсл	И f n ^ f e	выбираем
тип транзистора.				покоя в цепи коллектора /кО ^ 1 Л /max сл*
	3. Определяем значение тока
	4. Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора R K. Значение RK дол­
ж н о	удовлетворять двум требованиям. С одной стороны, RK должно быть г о р а з ­
до	больше з н а ч е н и я		входного сопротивления последующего				каскада. С другой
с т о р о н ы , R K д о л ж н о			б ы т ь поменьше, так		как н а нем происходит потеря посто­
я н н о г о		н а п р я ж е н и я	источника питария.		С учетом этих требований значение RK
о п р е д е л я е т с я т а к :			0 ,4 £ к/ / к0.

5. Определяем сопротивление резистора R3 в цепи термостабилизации:

£к//ко.

6.Находим емкость конденсатора: Сэ= 10в/2 я ^ н0 ,1 # э, где fB выражается в

герцах, С9— в микрофарадах, Rs — в омах.

(В транзисторных усилителях звуковых частот обычно применяют электро­ литические конденсаторы типов К50-6 . . . К50-15 и др.).

7. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в ре­

жиме покоя: £/кэО=£к—/коЯк—/эоЯэ.

8. Находим положение рабочей точки покоя в семействе выходных статиче­

ских	характеристик	транзистора		по	значениям	Скэо	и /ко,	как	показано на
рис. 4.3. Здесь определяем /бо-					резисторов	делителя в цепи			базы Ri и R t.
9.	Определяем	сопротивления
Падение напряжения			на сопротивлении резистора				фильтра		R$	принимаем
АГ/лф(0,1 ... 0,2) Е к.		Напряжение, подводимое к делителю, U д							—Л£/дф.
Значение тока >в цепи делителя выбираем из условия: / д =								(2...5)/бо*
Вычисляем: R {= (Сд—M J RB— Свэо)/(7бо+/д) ; /?2=							(Д ^дэ + Сбэо)//д-
Падение напряжения на резисторе /?э принимаем A[/K3«0,1EK-										условие:
Выбирая резистор			R 2,	учитываем,		чтобы	выполнялось

/?2= (5 ... 10) /?вх10. Рассчитываем элементы развязывающего фильтра: /?ф=Л£/яф/(/д+

+/ко);	Сф= (10 ... 50) // н^?ф-
11.	Определяем амплитудное значение тока на выходе каскада: / тахда

~1,2/щах сл/Л21Эmin-

12.Находим коэффициент усиления каскада по напряжению на средних

частотах:

^ и с р — ^ 2 1эгтпп Я эк в . в ы х ^ в х »

где R BX — входное сопротивление рассчитываемого каскада; Яэкв.вых — эквива­

лентное		выходное		сопротивление			рассчитываемого	каскада;		R экв.вых=
==/?к^2сл^?вх.сл/ (^2сл/?вх:сл"Ь					^ ^	вх.сл“Ь ^ к^ 2 сл ) •		делителя	последующего
Здесь		R 2 сл — сопротивление резистора R2 в цепи
каскада.
13. Вычисляем минимальное значение коэффициента усиления каскада по
мощности K p = !i2i3 т тК и ср или в децибелах /Сядб = 10 1gKP .
14. Определяем емкость разделительного конденсатора:
			Ср=	10в/2я/„(/?экв-вых+ Л ВХ1СЛ ) ] / м F T
Здесь Ср выражается в микрофарадах, / в — в герцах, R 9кв.вых									и /?„х.сл —		в
омах, М п задается.
15. Коэффициент частотных искажений каскада на верхних частотах диапа­
зона
				М	» - ] / ‘И -(2я /вй внв.8ЫХС§)
где	С0	— эквивалентная			емкость,		нагружающая	рассчитываемый каскад
(Со =	Скэ-|-Сбэ.сл) ■
		Расчет усилительного каскада на полевом транзисторе
И с х о д н ы е			д а н н ые :			значение коэффициента		усиления	каскада		по
напряжению Ки\ диапазон усиливаемых частот								допустимые		частотные
искажения М п и M D; напряжение источника питания Е к.										элементов
Н е о б х о д и м о				о п р е д е л и т ь :			тип транзистора, параметры
схемы каскада,			коэффициент усиления каскада на средней частоте диапазона.
П о р я д о к р а с ч е т а							по заданным значениям коэффициента				усиле­
1.		Тип транзистора выбираем
ния каскада /Си и напряжения источника питания Е л.

Для этого определяем:	(0,1 ... 0,3) S min/g2 2 ii, где 5 min			— минимальное
значение крутизны стоко-затворной характеристики транзистора;				g 22n — актив­
ная составляющая выходной	проводимости в закрытом состоянии транзистора
по схеме с общим истоком.	превышать заданное	значение	напряжения источ­
Значение С/си шах должно
ника питания Е к: UCKmax > £ к.		нагрузки	усилительного кас­
2. Определяем эквивалентное сопротивление
када:

#экв= VМ 2В — 1 /2я/вс0	, где Со— С2 2 и1 4 -Сци2 “Ь^м, где CMHI •— выходная ем­
кость полевого транзистора	рассчитываемого каскада; Сци2 — входная емкость

транзистора тюследующего каскада; См — емкость монтажа. Обычно значение Со составляет 30 ... 50 пФ.

3. Находим сопротивление нагрузки в цепи стока: # 2=/?экв/(1—&2 2 н#экв-) Если R 2 окажется отрицательным, то это означает, что при любом сопротив­

лении нагрузки цепи стока коэффициент частотных искажений в области верх­ них частот не будет превышать заданное значение.

4.Выбираем сопротивление /?зи2= 300 . .. 500 кОм.

5.Определяем емкость разделительного конденсатора:

C1> l/2 n f,^3„2]/ М 2- \

6. Строим нагрузочную прямую в семействе стоковых характеристик тран­

зистора. Для этого на оси	абсцисс откладываем значение £ к,		а на	оси орди­
нат — значение тока стока	JC= E K/RC. Через точки Е к и / с проводим			прямую.
На нагрузочной п-рямой выбираем		рабочую точку так, чтобы	нелинейные иска­
жения были минимальные.		/?„= t/3ll0/ / c0.
7. Находим значение резистора

8.Определяем емкость конденсатора: CH>-100/2nfuR H.

9.Вычисляем коэффициент усиления каскада по напряжению на средней

■частоте:	Kucp=S0/(g22n+ \/R 2+ l/R\), где 5 0 — значение крутизны	харак­
теристики	полевого транзистора в рабочей точке. Значение S0 определяем	в се­

мействе выходных характеристик транзистора: S o = A /c/A£/aii.

Коэффициент усиления по напряжению резисторного усилителя на полевом транзисторе К ис? составляет порядка 5 ... 10.

4.2. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

Каскады усиления мощности являются выходными (оконечны­ ми) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка. Они предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности.

Выходные каскады классифицируются по ряду признаков: способу согласования усилителя с нагрузкой — трансформатор­

ные и бестрансформаторные; режиму работы усилительных элементов — классов Л, В, С,

АВ, D\

способу усиления -- однотактные и двухтактные.

Оценить схемы усилителей мощности можно по следующим па­ раметрам и характеристикам:

мощности сигнала, отдаваемой в нагрузку; энергетическим характеристикам усилителя;

результирующему коэффициенту усиления по току и напряже­ нию;

коэффициентам общих гармонических и интермодуляционных -статических и динамических искажений;

коэффициентам частотных искажений; входным и выходным параметрам.

Кроме того, следует определить техническую сложность и эко номическую целесообразность выполнения схемы.

Усилитель мощности с трансформаторным включением нагрузки. Принципиальная схема усилителя мощности с трансформаторным включением нагрузки приведена на рис. 4.14. Транзистор VT ра­

+ Е0	ботает в режиме класса А\
	в коллекторную	цепь вклю­
	чена первичная обмотка вы­
	ходного трансформатора TV
	Недостатки каскада:
	низкий КПД из-за рабо­
	ты в режиме класса А и при­
	менения трансформатора;
	частотные	искажения,
	вносимые, в основном, транс­
	форматором;	значитель­
	прохождение
	ного постоянного тока через
	первичную обмотку транс­
	форматора;

невозможность реализации усилителя в интегральном испол­ нении;

повышенные размеры и стоимость в сравнении с бестрансформаторным каскадом.

Достоинства каскада:

возможность получить максимальный коэффициент усиления по мощности благодаря включению транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ);

возможность оптимального согласования выходного сопротив­ ления каскада с сопротивлением нагрузки.

Расчетные параметры каскада следующие. Сопротивление нагрузки по переменному сигналу

Ru~= л 2(Ян+ г 2)+ /Ч ~ # нл*,

где Г\, г2— активные сопротивления соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора; п — коэффициент трансфор­ мации.

Выходная мощность каскада, приведенного к выходу транзи­ стора

Р вы*.К= Л 1/ 7)тр>	(4 .1 ) '
где г) тр — КПД трансформатора (г^тр = 0,8...0,95); для	синусои­
дального сигнала

р вы х.к = UKmIKJ 2 = U l J 2 R ^ = UlJ2n*Rn

где UKm — амплитуда коллекторного напряжения; I кт— амплиту­ да коллекторного тока.

Откуда с учетом формулы (4.1)

П = ] /ГЩип№Ръъа..к R u ^кт^тр/ 2Рн^н

КПД коллекторной цепа!

% —Р вых.к /Р о = ^ к т А < т /2 /к О , -Ек = 0 ,5 / • ? ,

где Ро — мощность, потребляемая от источника питания; / к9 — ток покоя транзистора; Е к— напряжение источника питания; / = /кот/

Дко — коэффициент		использования	тока	коллектора; £ =	С/к /
IUко — коэффициент использования коллекторного напряжения.
Общий КПД т| = т|к-*т| тр • Реальные				значения КПД	транзи­
сторных	каскадов составляют 0,35		...0,45;	с использованием	усили­
тельных	ламп — 0,15...	0,25.

Бестрансформаторные однотактные каскады. Принципиальная схема бестрансформаторного однотактного каскада, включенного

по	схеме с ОЭ, приведена на	рис. 4.15. Сопротивление		нагрузки
R н	в этой схеме непосредственно включено		в цепь коллекторной
нагрузки.		деталей в	схеме, более	широкая
	Отсутствие дополнительных

полоса пропускания, чем в трансформаторных каскадах, отсутст­ вие потери мощности в согласующем устройстве не могут компен­ сировать недостатков схемы.

Недостатки схемы:

отсутствие возможности согласовать по сопротивлению Rn вы­ ходное сопротивление транзистора, что уменьшает коэффициент

использования тока или напряжения	и, соответственно, г|к ;
прохождение постоянного тока / к0	через нагрузку;

постоянный потенциал на нагрузке по отношению к общему проводу.

Вреальных транзисторных каскадах максимальный КПД со­ ставляет порядка 20 %, в ламповых каскадах - 12 %.

Визмерительных приборах указанный тип усилителя находит ограниченное применение.

На рис. 4.16 приведена принципиальная схема выходного каска­ да генератора Г4-106. Отличительная особенность схемы состоит в том, что вводится дополнительная разделительная емкость СЗ, к которой подключается внешняя нагрузка. Поэтому постоянный по­ тенциал на нагрузке равен нулю. Параллельное включение тран­ зисторов VT1 и VT2 в схеме предназначено для увеличения мощ­ ности, отдаваемой в нагрузку. Такое соединение можно использо­ вать как в однотактных, так и в двухтактных каскадах. Расчет ка­ скада с двумя транзисторами аналогичен расчету каскада на од­ ном транзисторе. Необходимо только учесть, что выходной ток должен распределяться равномерно между транзисторами, вход­ ное и выходное сопротивление каскада должно быть в 2 раза мень­ ше соответственно входного и выходного сопротивления одного

транзистора. Для компенсации разбросов параметров схемы в эмиттерную цепь каждого транзистора вводится сопротивление местной обратной связи. Разброс параметров может привести к превышению допустимого значения мощности рассеяния одного транзистора и несовпадению линейных участков проходной харак­ теристики.

Более широко применяется в качестве выходного каскада од­ нотактный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 4.17). Примером может служить выход­ ной каскад усилителя УЗ-29, работающего в диапазоне частот 50 ГЦ...20 МГц.

Параметры каскада:

коэффициент усиления по напряжению Ки = гтттотн-п— г *>

				1"Г 1/Ь{1<э\\Гк э )
коэффициент	усиления	по току при	согласованной			мощности
К / 51 0,5 • h 21э ;	нагрузки	при согласовании		по	мощности RH ^
сопротивление
= Р 9 ;					э ;
максимальная выходная мощность РтйК = E2/8R
коэффициент полезного действия ц = Р птах /Ро = 6,25 %;
максимальная	мощность	рассеяния	на	транзисторе		Р рас =

= &Р ншах «

Достоинства каскада:

возможность подбирать значение выходного сопротивления для оптимального согласования сопротивления выхода каскада с сопро­ тивлением нагрузки по мощности или по сопротивлению. Следует отметить, что согласование по сопротивлению и согласование по мощности не адекватны. В бытовых усилителях низкой частоты, где значение выходного сопротивления не устанавливается, опти­ мальным является условие /?иеТ «С Rn , при котором отсутствуют потери сигнала в выходной цепи, улучшается демпфирование сиг­ нала. В измерительных усилителях значение выходного сопротив­ ления определяется рядом стандартных выходных сопротивлений 5; 50; 75; 600 Ом, 10 кОм. Для согласования по сопротивлению на выход усилителя подключают сопротивление R, значение которого определяют по формуле

РЯст Яоых>

где R CT — стандартное выходное сопротивление, R BU] — выходное сопротивление каскада;

отсутствие постоянного потенциала на выходе относительно об­ щего провода;

малые нелинейные искажения; широкая полоса пропускания усилителя; высокое входное сопротивление.