Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

(3.1.36)

(3.1.37)

где Е — напряжение питания, подводимое к рассчитываемому каскаду; I₀ — ток покоя выходной цепи транзистора; I_ф — постоянная составляющая тока, протекающая через резистор R_ф. Значения коэффициентов при Е в формулах (3.1.37) для R и R_э (или R_и) желательно брать такими, чтобы сумма коэффициентов составила 0,5—0,6; в этом случае напряжение покоя между выходными электродами транзистора U₀, равное разности Е и падения напряжения питания на R и R_э (или R_и), окажется равным (0,5— 0,4) Е. При этом уменьшается возможность выхода рабочей точки из линейного участка характеристики при изменении температуры или напряжения питания и старении или замене транзистора в каскаде. Коэффициент усиления по току К_т в этом случае обычно лежит в пределах (0,65—0,9)h_21э. Напряжение питания, подводимое к каскаду, не должно превышать допустимое для используемого транзистора, чтобы исключить возможность его пробоя при сильных запирающих транзистор сигналах.

Максимально допустимое значение сопротивления резистора R при заданных частотных искажениях М_в на верхней рабочей частоте f_в или при заданном времени установления каскада t_y можно найти, решив нижнюю формулу (3.1.19) относительно R:

(3.1.38)

Величина R_экв.в=R_экв.вmax определяется по формулам (3.1.15) или (3.1.24).

Напряжение смещения база — эмиттер U_0Б, необходимое для получения выбранного тока покоя коллектора I_0к, находят по входной характеристике транзистора для I_0Б=I_0к/h_21эmin. В случае полевого транзистора со схемой истокового смещения напряжение смещения находят по проходной характеристике для транзистора с наименьшим напряжением отсечки.

Коэффициенты усиления каскада определяют по формуле (3.1.6) или (3.1.7) и (3.1.8), расчетную амплитуду входного тока сигнала и амплитуду входного напряжения сигнала при биполярном транзисторе рассчитывают по следующим выражениям:

(3.1.39)

Частотные искажения на нижних частотах в каскадах рис. 3.1.7 будут создаваться как конденсатором межкаскадной связи С, так и конденсатором схемы стабилизации С_э или С_и; конденсатор фильтра С_ф в полосе рабочих частот обычно не вносит искажений. Емкость конденсатора С рассчитывают по формуле (3.1.11) или (3.1.20) исходя из допустимых частотных искажений М_н.с, вносимых им на низшей рабочей частоте, или из Δ_т; при этом считают R_экв.н~R; R₀=R_вх.сл. Вследствие низкого входного сопротивления каскадов с биполярными транзисторами в них конденсаторы С можно применять электролитические, соблюдая пра-вильность полярности их включения; во входной цепи полевых транзисторов, разделительные конденсаторы С следует брать с высоким сопротивлением изоляции, имеющие бумажный, пластмассовый или слюдяной диэлектрик и хорошо защищенные от влаги; электро-литические конденсаторы здесь не пригодны из-за сравнительно большого и непостоянного тока утечки, который может очень сильно изменить напряжение смещения на затворе или сетке.

В случае промежуточного каскада с биполярным транзистором это можно сделать лишь после расчета предыдущего каскада, так как для расчета С_э нужно знать сопротивление источника сигнала R_ист во входной цепи рассчитываемого каскада. Полный коэффициент частотных искажений каскада М_н на низшей рабочей частоте можно считать равным произведению М_н.с и М_н.э, найденных по формулам (3.1.10) и (3.1.12); при полевом транзисторе М_н=М_н.сМ_н.и.

Вносимые каскадом частотные искажения М_в на высшей рабочей частоте определяются по формуле (3.1.13), а входящую в нее емкость С₀~С_б.э.сл – по формуле (3.1.12); при биполярном транзисторе искажения будут максимальны для транзистора с f_еmin и h21эmax.

3.2. Выходные каскады

3.2.1. Условия расчета каскадов мощного усиления

Каскад мощного усиления предназначен для отдачи заданной мощности сигнала в заданное сопротивление нагрузки. Эта мощность должна отдаваться при допустимом уровне как нелинейных, так и частотных или переходных искажений, а также при возможно меньшем потреблении мощности от источников питания. Выбор усилительного элемента для каскада мощного, усиления, способа его включения, режима работы, положения точки покоя на характеристиках усилительного элемента, сопротивления нагрузки выходной цепи и т. п. производят исходя из указанных выше требований. Коэффициент усиления каскада мощного усиления получается обычно много ниже, чем каскада предварительного усиления с тем же усилительным элементом; с этим мирятся, так как коэффициент усиления здесь является второстепенным показателем. Специфической особенностью каскада мощного усиления является полное использование характеристик усилительного элемента, из-за большой амплитуды входного сигнала, вследствие чего параметры усилительного элемента за период сигнала изменяются в широких пределах. Поэтому расчет отдаваемой каскадом мощности, его коэффициента усиления, коэффициента гармоник проводят графическим способом по характеристикам усилительного элемента, так как при аналитическом расчете этих величин с использованием малосигнальных параметров усилительного элемента (параметров в точке покоя) получаются очень большие ошибки.

В каскадах мощного усиления можно использовать любые усилительные элементы: транзисторы, триоды, тетроды или пентоды в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю. Рабочий режим их также может быть различным (режим А, режим В и др.). На. практике встречаются каскады мощного усиления с выходной мощностью от милливатт до сотен киловатт. При очень малой мощности — до десятых долей ватта — в каскадах мощного усиления применяют маломощные транзисторы или маломощные электронные лампы приемно-усилительной серии. При средней выходной мощности (ватты и сотни ватт) каскады мощного усиления конструируют как с мощными транзисторами, так и со специальными выходными лампами приемно-усилительной серии; при выходной мощности от сотен ватт до сотен киловатт применяют мощные генераторные и модуляторные лампы в режиме В2 (с токами сетки). Наконец, каскады усиления мощности отличаются схемами; кроме простой однотактной схемы широко применяется двухтактная схема, обладающая важными преимуществами. Транзисторы в трансформаторных каскадах мощного усиления обычно включают с общим эмиттером или общей базой. При включении транзисторов с общим эмиттером коэффициент усиления мощности сигнала получается наибольшим, а поэтому требуются наименьшая выходная мощность от предыдущего каскада и наименьшее усиление от предварительного усилителя. Предыдущий каскад при этом может быть сделан резисторным, что упрощает и удешевляет усилитель. Включение с общей базой позволяет получить меньший коэффициент гармоник и хорошую стабильность каскада при изменении температуры, напряжения питания, старении и замене транзистора; однако при таком включении входной ток сигнала очень велик, что заставляет предыдущий каскад выполнять трансформаторным; выходная мощность предыдущего каскада и усиление от предварительного усилителя здесь требуются большие.

Включение транзисторов с общим коллектором в трансформаторном каскаде мощного усиления применяют реже, так. как оно не имеет преимуществ по сравнению с включением. с общей базой (приблизительно такой же коэффициент усиления мощности и большее напряжение входного сигнала); малый коэффициент гармоник в таком каскаде можно получить лишь при малом Rист О порядке величины kг однотактного транзисторного каскада в режиме А и зависимости kг от отношения Rист/Rвх можно судить по кривым, приведенным на рис.

Рис. 3.2.1. Ориентировочный характер зависимости коэффициента гармоник транзисторного каскада от сопротивления источника сигнала при различных способах включения

Условия работы каскадов мощного усиления зависят также от характера внешней нагрузки усилителя. Например, для усилителей звуковой частоты нагрузкой могут служить электродинамические громкоговорители, сопротивление которых носит комплексный характер — содержит индуктивную составляющую и, следовательно, возрастает с увеличением частоты. Однако на средних звуковых частотах (порядка сотен герц), на которых ведется расчет полезной мощности, отдаваемой усилительными элементами, сопротивление полезной нагрузки в большинстве случаев можно считать активным, что сильно упрощает построение линий нагрузки и динамических характеристик. Расчет каскадов мощного усиления обычно ведут на активную нагрузку.

По способу подключения нагрузки каскады мощного усиления; можно подразделить на каскады с непосредственным включением нагрузки, резисторный, дроссельный и трансформаторный.

Простейшим способом подключения нагрузки Rн к каскаду мощного усиления является ее непосредственное введение в выходную цепь усилительного элемента без выходного устройства (рис. 3.2.2а). К достоинствам такой схемы относятся ее простота, отсутствие дополнительных деталей, потерь мощности в выходном устройстве, дополнительных нелинейных, частотных :и переходных искажений и возможность усиления сигналов в широкой полосе частот, а к недостаткам — протекание через нагрузку постоянной составляющей тока питания и наличие на ней постоянного потенциала по отношению к общему проводу, невысокий КПД схемы. Практически КПД, получаемый от каскада с непосредственным включением нагрузки, обычно не превышает при транзисторах 20% и при триодах 7%. Из-за малого КПД и недопустимости в большинстве случаев протекания постоянной составляющей тока питания через нагрузку непосредственное включение, несмотря на отмеченные достоинства, на практике используют редко. В резисторном каскаде мощного усиления, схема которого представлена на рис. 3.2.2 б, нагрузка Rн включается в выходную Цепь через резисторно-емкостное выходное устройство RC. Ток питания здесь через нагрузку не проходит, кроме того, нагрузка соединена с общим проводом схемы, что нередко необходимо. Резисторный каскад прост, не требует дорогих и громоздких деталей, имеет широкую полосу рабочих частот, но у него очень низкий КПД. От резисторного каскада с транзистором трудно получить КПД выше 5—6%. Поэтому, несмотря на достоинства, резисторные каскады мощного усиления применяют только при очень малой выходной мощности - не выше десятков или сотен милливатт.

Более высоким КПД обладают дроссельный и трансформаторный каскады мощного усиления. Как видно из рис. 3.2.2 в, ток питания выходной цепи, в трансформаторном каскаде через нагрузку не течет; максимальный КПД здесь вдвое выше, чем при непосредственном включении нагрузки, и почти в 6 раз больше, чем у резисторного каскада. Однако полоса усиливаемых частот у дроссельного каскада меньше, чем у резисторного, а у трансформаторного еще меньше; стоимость же, масса, габаритные размеры как дроссельного, так и трансформаторного каскадов много больше, чем резисторного. Трансформаторный каскад, имея почти те же габаритные размеры, массу и стоимость, что и дроссельный каскад, имеет достоинство: при соответствующем коэффициенте трансформации выходного трансформатора он может работать с высоким КПД практически на любое по величине сопротивление нагрузки. По этой причине трансформаторные каскады мощного усиления, несмотря на высокую стоимость и сравнительно узкую полосу рабочих частот, применяются в качестве выходных каскадов транзисторных усилителей. Способ расчета каскада мощного усиления зависит от схемы каскада, типа используемого усилительного элемента и режима, в котором он работает. Очень важным для каскадов мощного усиления является точный и правильный выбор рабочего режима усилительного элемента, напряжения источника питания, сопротивления нагрузки выходной цепи току сигнала, тока (или напряжения) смещения во входной цепи, тока или напряжения входного сигнала и т. д. Этим вопросам и уделено в данной главе наибольшее внимание. Анализ частотных и переходных характеристик, а также расчет электрических деталей схемы каскадов мощного усиления не отличаются от приведенного выше расчета для каскадов предварительного усиления.

Рис. 3.2.2. Каскады мощного усилителя на транзисторах: а) с непосредственным включением нагрузки в выходную цепь усилительного элемента; б) резисторный; в) трансформаторный