1.4.1.4 Трансформаторный каскад

Трансформаторным называется каскад, имеющий в выходной цепи трансформатор для связи со следующим каскадом или с внешней нагрузкой.

Трансформатор по сравнению с резистором имеет ряд недостат­ков: большие габаритные размеры и масса, чувствительность к на­водкам от внешних магнитных полей, внесение частотных, фазовых и нелинейных искажений.

Однако в ряде случаев трансформатор необходим, например для согласования выходного сопротивления предыдущего каскада с в входным сопротивлением последующего, для перехода от однотактной схемы к двухтактной или для повышения напряжения малого входного сигнала относительно напряжения собственного шума первого транзистора.

Принципиальная схема промежуточного трансформаторного кас­када приведена на рисунке 1.32. Обычно транзистор в этих каскадах включается с общим эмиттером. Пунктиром показаны элементы, не относящиеся к схеме рассчитываемого трансформаторного каскада. Нагрузкой является входное сопротивление следующего каскада:

R_н = R_вх.сл.

Трансформатор позволяет подать смещение на базу следующего транзистора VT₂ последовательно с входным сигналом, поэтому де­литель смещения не шунтирует вход VT₂ и выход каскада на VT₁.

Постоянная составляющая тока коллектора I_ко протекает от +Е_к через R_э, транзистор VT₁ и первичную обмотку трансформатора к --Е_к, создавая постоянное подмагничевание сердечника трансформатора. Это недостаток схемы, так как во избежание насыщения сердеч­ника и увеличения нелинейных искажений приходится увеличивать размеры сердечника и габариты всего трансформатора.

Постоянная составляющая тока не создает заметного падения напряжения на малом активном сопротивлении первичной обмотки, поэтому коллекторное напряжение можно считать равным напряже­нию источника электропитания :

U_ко ≈ Е_к.

Переменная составляющая тока создает в сердечнике перемен­ный магнитный поток с частотой сигнала и во вторичной цепи

индуктируется выходное напряжение.

75

Рисунок 1.32- Принципиальная схема трансформаторного каскада

предварительного усиления

Для составления эквивалентной схемы каскада (рисунок 1.32) следует заменить транзистор VT₁ эквивалентным генератором с ЭДС Е_г и внутренним сопротивлением R_r, как это делалось для резисторного каскада, а трансформатор заменить его эквивалентной схемой. Влияние входной цепи следующего транзистора, нагружающий тран­сформатор, учитываются включением R_н = R_вх.сл. Если трансформа­тор является межкаскадным, то в эквивалентной схеме Е_г=К_хх·U_вх и R_г=R_вых, а при входном трансформаторе Е_г=Е_ис и R_г=R_ис - дан­ные источника сигнала.

Параметры трансформатора являются : L₁ -индуктивность пер­вичной обмотки, r₁ и r₂- активные сопротивления первичной и вто­ричной обмоток, L_si и L_s2 - индуктивность рассеивания первичной и вторичной обмоток, С_тр - межвитковая ёмкость трансформатора, Со- общая ёмкость нагрузки или входной цепи следующего каскада, при условии, если пренебречь малыми потерями в сердечнике, п- коэффициент трансформации, равный отношению числа витков вторич­ной обмотки к числу первичной, См- монтажная ёмкость.

Емкость

С_о = С_тр + С_м + С_{вх. сл} ; С'_о=С_о·п²,

r'₂=r₂/n, R_вх.сл = R_вх.сл /n, L'_s2=L_s2/n, Ls=L_S1+L'_S2

Амплитудно-частотная характеристика трансформаторного кас­када представлена на рисунке 1.33. В области нижних частот харак­теристики трансформаторного каскада - АЧХ - определяют влиянием индуктивности первичной обмотки трансформатора L₁. С понижени­ем частоты сигнала сопротивление X_L=wL уменьшается. При этом ток от источника сигнала

76

возрастает, потери напряжения на R_иct и r₁ увеличиваются и выходное напряжение уменьшается. В результате АЧХ в области нижних частот имеет “завал”. Причём, “завал” будет тем больше, чем меньше L₁,тем меньше её сопротивление и тем больше она шунтирует R_экв.н., которое можно быть вычислено, как параллельное включенные (R_г+r₁) и (r'₂+R'_вх.сл).

Для уменьшения спада частотной характеристики следует увеличивать постоянную времени нижних частот, а для этого надо увеличивать индуктивность первичной обмотки L₁ за счёт увеличения числа витков.

Рисунок 1.33-Упрощенная эквивалентная схема трансформатор­ного каскада

В области высоких частот влиянием L₁ можно пренебречь, так как её сопротивление ещё больше, чем на средних частотах. Вместе с тем с повышением частоты увеличивается сопротивление w·L_s и паде­ние напряжения на индуктивности рассеивания, а сопротивление X_c = l / (w·C'_o) уменьшается и растёт потребляемый ёмкостью С'_о ток. Поэтому в области верхних частот сказывается влияние двух реак­тивных элементов: L_s и С'_о (рисунок 1.33).

Оба они создают спад частотной характеристики, так как с рос­том потерь напряжения L_s выходной сигнал уменьшается и с возрас­танием тока через С'_о он также уменьшается за счёт увеличения потерь на внутреннем сопротивлении генератора.

Практически с повышением частоты L_s и С'_о начинают действовать не одновременно. Если следующий каскад построен на мощном транзисторе с общим эмиттером, то раньше сказывается влияние его входной ёмкости. Поэтому характеристика сначала имеет менее крутой спад, а когда начинает влиять индуктивность рассеяния, крутизна спада увеличивается. На определённой частоте f _рез. наступа­ет резонанс напряжений между L_s и С'_о, который называется ре­зонансом рассеивания трансформатора.

77

Рисунок 1.34 - Частотная характеристика трансформаторного

каскада предварительного каскада

Резонансный выброс отсутствует при малом входном сопротивле­нии следующего каскада, шунтирующем ёмкость С_о.

Для уменьшения частотных искажений и повышения частоты ре­зонанса рассеивания следует уменьшать индуктивность рассеивания L_s. Это достигается секционированием обмоток и поочередным рас­положением на катушке секций первичной и вторичной обмоток.

78

Дополнительный материал к лекции 6 для самостоятельной работы

Резисторный каскад усилителя на электронных лампах

Способ включения электронной лампы в схеме резисторного кас­када, В резисторном усилительном каскаде в качестве усилитель­ного элемента может быть использована любая лампа с высоким коэффициентом усиления: триод, тетрод, пентод. Электронную лампу обычно включают по схеме с общим катодом, причем для работы на прямолинейном участке анодно-сеточной характери­стики без сеточных токов берут лампу с левой характеристикой и подают отрицательное смещение на управляющую сетку. Такой режим работы лампы характеризуется небольшой постоянной составляющей анодного тока, высоким входным сопротивле­нием лампы, малыми нелинейными искажениями и большим уси­лением как напряжения, так и тока сигнала при работе на на­грузку с высоким сопротивлением.

Расчет лампового резисторного каскада предварительного усиления начинают с выбора типа лампы. Триод в резисторном каскаде предварительного усиления дает усиление напряжения сигнала порядка (0,6—0,8)μ , поэтому для получения возможно большего усиления в таком каскаде применяют триоды с высо­ким μ, обычно лежащим в пределах от 20 до 100. Для получения очень больших коэффициентов усиления на низких частотах удобны двойные триоды при μ = 70--100. Такая лампа в двухкаскадном усилителе позволяет усиливать сигнал до 2000— 5000 раз.

Экранированная лампа дает большее усиление, чем триод. Однако каскад с экранированной лампой потребляет несколько больший ток от источника анодного питания, вносит дополни­тельные частотные искажения на нижних частотах и стоит дороже из-за большого числа деталей схемы и большей стоимости лампы.

Эквивалентная схема резисторного усилителя напряжения. Принципиальная схема каскада усиления напряжения на ре­зисторах с электронной лампой показана на рисунке 1. 35. Для ана­лиза и расчета различных схем усилителей пользуются эквива­лентными схемами. На рисунок 1.36 дана полная эквивалентная схема резисторного каскада с электронной лампой, включенной с Общим катодом, В схеме рисунке 1.36 приняты следующие обозначения:

S — ста­тическая крутизна характеристики анодного тока; R_i — вну­треннее сопротивление выбранной лампы; R_a — резистор в цепи анода; С_р— разделительный конденсатор; R_c — резистор утечки цепи управляющей сетки; С₀ — полная емкость, нагружающая каскад, определяемая выражением

С_о = С _вх.сл. + С_м +С _вых ( 1.48 )

где С_вх, _сл — динамическая входная емкость следующего ка­скада, находится по формуле С_вх._сл = С_ск + (1 + К) С_са; С_м — емкость монтажа, лежащая в пределах 6—10 пФ; С_вых— выход­ная емкость лампы рассчитываемого каскада (берется из спра­вочника).

79

Рисунок 1.35 - Принципиальная схема резисторного каскада на

электронной лампе

Рисунок 1.36 - Эквивалентная схема резисторного каскада на

электронной лампе

80

Вопросы для самопроверки

1. Начертите принципиальную схему предварительного резисторного каскада собранного на биполярном транзисторе и поясни­те назначение ее элементов.

2. Начертите принципиальную схему предварительного резисторного каскада собранного на полевом транзисторе и поясните назначение её элементов.

3. Начертите принципиальную электрическую схему трансформа­торного каскада и поясните назначение ее элементов.

4. Постройте амплитудно - частотную характеристику резисторного каскада и поясните спады характеристики.

5. Постройте амплитудно-частотную характеристику трансформа­торного каскада и поясните спады характеристики.

6. Поясните назначение резистора, который включен в цепь эмиттера, когда резисторный каскад включен по схеме ОЭ.

7. Поясните назначение конденсатора включенного параллельно резистору Rэ.

8. Поясните назначение разделительных конденсаторов, которые включены между резисторными каскадами.

9 Какой способ включения транзистора и лампы наиболее употребителен в

резисторных каскадах и почему ?

10 Каковы причины возникновения нелинейных искажений, вносимых

трансформатором ?

Примеры задач до темы лекции 6

Задача 1

Полевой транзистор с управляющим р-п – переходом и каналом п –типа используется в усилителе с общим истоком ( рисунок 1.31). Напряжение отсечки транзистора U_отс= -2 В, максимальный ток стока I_{с макс} =1.8 мА, крутизна стокозатворной характеристики в рабочей точке S = 1,8 мА/В. Рассчитать режим схемы по постоянному току, напряжение источника питания принять равным + 9 В.

Решение . Транзистор указанного типа работает при U>0 и U_зи< 0. Такой режим может быть обеспечен одни источником питания с применением так называемого

« автоматического смещения».

1 Аналитическая зависимость I_с = f ( U_зи )[_{Uси= сonst} имеет вид

I_с = I_{с макс} (1- |U_зи| / |U_отс| )

81

U_зи = U_отс ( 1 - √ I_с/I_{с макс} )

2 Пусть ток стока в рабочей точке вдвое меньше максимального тока I_с.макс., т.е.

I_с = 1,8 / 2 = 0,9 мА.

U_зи = -2[ 1 - √ 0,9 10^-3 / ( 1,8 10^-3 ) = - 0,586 В

3 Найдем сопротивление автоматического смещения. Так как I_з<< I_с, напряжение

затвор – исток равно падению напряжения на R_и, поэтому

R_и = | U_зи| / Iс,

Rи = 0,586 / 0,9 10^-3 =650 Ом

Ближайший стандартный номинал R_и = 680 Ом.

4 Сопротивление резистора R₁ выбираем из условия

I_зR₁ << U_зи ,

Где I_з – ток затвора.

Уточним неравенство и зададимся током I_з :

I_зR₁ = 0,01 U_зи ; I_з= 10^-8 А.

Отсюда получаем

R₁ = 0,01 U_зи / I_з ,

R₁ = 0,586 0,01 / 10 ^-8 = 586 кОм.

Выбираем из ряда номиналов резистор с сопротивлением 590 кОм.

5 Сопротивление резистора R_с находим из уравнения токов и напряжений в схеме:

Е_с = I_с ( R_и + R_с ) + U_с,

Считаем, что усилитель работает в режиме класса А, и принимаем U_си = Е_с/2 = 4,5 В.

82

R_с= ( Е_с - U_си -I_сR_и ) / I_с,

R_с = ( 9 – 4,5 – 0,9 10 ^-3 680 ) / ( 0,9 10^-3 ) = 4,32 кОм

Выбираем ближайший номинал R_с = 4,3 кОм.

6 Входное сопротивление схемы с общим истоком

R_вх = R₁ / [R_{вх пт} + R_и] ( 1 + SR_и) ],

где R_{вх пт} – входное сопротивление полевого транзистора, достигающее на

практике 10⁸ -10⁹ Ом. Поскольку R₁ << R_{вх пт}, можно записать

R_вх = R₁ = 560 кОм.

7 Выходное сопротивление схемы ОИ определяется резистором R_с и

дифференциальным сопротивлением канала r_с .

R_вых = R_с || r_с ,

где r_с – дифференциальное сопротивление канала, составляющее единицы

мегаОм.

R_вых ≈R_с = 3 кОм.

8 Максимальный коэффициент усиления будет равно, если R_н >> R_с по

( формуле 1.33)

К_u = - S R_с,

К_u = - 10 3 = 30.

Задача 2

Рассчитать схему простейшего однокаскадного усилителя низкой частоты на основе биполярного транзистора ( рисунок 1.28 ). Расчет приближенный .

Решение .

1 Величину резистора R_э выбирается в пределах R_э= ( 100 – 1000) Ом.

Выбираем ближайший номинал R_э = 100 Ом

2 Величина нагрузочного сопротивления равна R_к ≈ 10 × R_э

R_к ≈ 10× 100 = 1000 Ом.

Выбираем ближайший номинал R_к = 1000 Ом

3 Величина резистора R₂ равна R₂ < 20R _э

83

R₂ < 20 × 100 < 2000 Ом

Второе условие выбора резистора R₂ ≈ 10× Rэ ≈ 1000 Ом

Выбираем ближайший номинал R₂ = 1000 Ом

4 Величина входного сопротивления усилителя равно

Z_вх ≈ R₂

Z_вх ≈ 1 кОм.

Величина выходного сопротивления равно Z_вых ≈ R_к

Z_вых ≈ 1 кОм

5 Коэффициент усиления по току равен Кi ≈ R₂ / R_э

К_i≈ 1000/ 100 ≈ 10

6 Коэффициент усиления по напряжению К_u ≈ R_к /R_э

Кu ≈ 1000 /100 ≈10

7 Стабильность усилителя S ≈ К_i ≈ R₂ /R_э

S ≈ 1000 /100 ≈ 10

Если S≈20 - для большого усиления, S≈10 – для высокой стабильности, S≈ 5-для усиления мощности.

Задачи для самостоятельной работы

1 Полевой транзистор с управляющим р-п – переходом и каналом п –типа используется в усилителе с общим истоком ( рисунок 1.31).

1.1 Напряжение отсечки транзистора U_отс= -0,5, максимальный ток стока I_{с макс} =1.6 мА, крутизна стокозатворной характеристики в рабочей точке S = 1,8 мА/В. Рассчитать режим схемы по постоянному току, напряжение источника питания принять равным + 6 В.

1.2 Напряжение отсечки транзистора U_отс= -1,5, максимальный ток стока I_{с макс} =2,0 мА, крутизна стокозатворной характеристики в рабочей точке S = 1,6 мА/В. Рассчитать режим схемы по постоянному току, напряжение источника питания

84

принять равным + 12 В.

1.3 Напряжение отсечки транзистора U_отс= -1,2, максимальный ток стока I_{с макс} =2,0 мА, крутизна стокозатворной характеристики в рабочей точке S = 1,8 мА/В. Рассчитать режим схемы по постоянному току, напряжение источника питания принять равным + 9 В.

1.4 Напряжение отсечки транзистора U_отс= -1,0, максимальный ток стока I_{с макс} =1,0 мА, крутизна стокозатворной характеристики в рабочей точке S = 1,0 мА/В. Рассчитать режим схемы по постоянному току, напряжение источника питания принять равным + 8 В.

2 Рассчитать схему простейшего однокаскадного усилителя низкой частоты на основе биполярного транзистора ( рисунок 1.28 ). Расчет приближенный .

2.1 Выбираем ближайший номинал R_э = 150 Ом

2.2 Выбираем ближайший номинал R_э = 200 Ом

2.3 Выбираем ближайший номинал R_э = 250 Ом

2.4 Выбираем ближайший номинал R_э = 350 Ом

2.5 Выбираем ближайший номинал R_э = 550 Ом

2.6 Выбираем ближайший номинал R_э = 850 Ом

2.7 Выбираем ближайший номинал R_э = 1000 Ом

Литература

1. Гольцев В.Р., Богун В.Д.Диленко В.И. Электронные усилители.-М.: Стандарты, 1990.С.59.. .77.

2 Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок.-М: 1979.С.110...136.

3 Колонтаевський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія i практикум -К.:Каравела, 2003.С.76.. 90.

4 Мамонкин И.Г. Усилительные устройства.-М.: Связь, 1977. С.101...135.

5 Криштанофич А.К., Трифонюк В.В Основы промышленной электроники.-М.: Высшая школа, 1985.с. 104...110.

85

Лекция 7

Экспресс - проверка знаний пройденного материала

1 Нарисуйте полную принципиальную схему резисторного каскада на биполярном

транзисторе

2 Нарисуйте резисторный каскад на полевом транзисторе (схема с общим

истоком

3 Нарисуйте принципиальную схема трансформаторного каскада

предварительного усиления

4 Напишите ключевые слова к вопросу « Каскады предварительного

усиления»

После изучения лекции 7 студент должен знать : как работают каскады усиления мощности на биполярном и полевом транзисторе.

Уметь: нарисовать схемы каскадов усиления мощности на биполярном и полевом транзисторе.

План ( логика ) изложения материала

1.4.2 Каскады усиления мощности

1.4.2.1 Требования к каскадам усиления мощности

1.4.2.2 Двухтактный бестрансформаторный каскад на транзисторах

разного типа

1.4.2.3 Двухтактный бестрансформаторный каскад на составных

Транзисторах

Дополнительный материал к лекции 7 для самостоятельной работе

1.4.2 Каскады усиления мощности

1.4.2.1 Требования к каскадам усиления мощности

Оконечные каскады отличаются от каскадов предварительного усиления в первую очередь большим уровнем напряжения и мощ­ности сигнала.

В усилителях звуковой частоты, работающих на громкоговори­тель, оконечный каскад должен отдать определённую мощность в заданное сопротивление нагрузки при коэффициенте нелинейных искажений, не превышающем допустимой величины.

При большой выходной мощности соответственно возрастает пот­ребление мощности от источника питания и увеличиваются потери, выделяемые в виде тепла на электродах усилительного элемента. В связи с этим в оконечных каскадах используются мощные транзисторы и стремятся так выбрать их режим, чтобы КПД оконечного кас­када был по возможности высоким.

Экономичный режим оконечного каскада достигается при макси­мальном использовании усилительного элемента, когда амплитуды напряжения и тока сигнала соответствуют предельному использова­нию рабочей области

86

выходных характеристик. При этом захватыва­ются их нелинейные участки и возрастают нелинейные искажения.

Кроме того, параметры усилительного элемента (крутизна харак­теристики, внутреннее сопротивление переменному току и др.) изме­няются в зависимости от мгновенного положения рабочей точки.

Поэтому для расчёта оконечных каскадов используют

графоана­литические методы, позволяющие построить динамические

характе­ристики для постоянного и переменного токов и оценить величину не только выходной мощности, напряжения и тока, но и нелинейные искажений.

Схемы оконечных каскадов могут быть однотактными (как рассмотренные ранее схемы предварительных каскадов) или

двухтакт­ными. Двухтактная схема имеет два плеча, работающих в противофазе, и построена соответственно на двух усилительных элементах (иногда в каждом плече используют два и более усилительных элементов).

По способу подключения внешней нагрузки схемы оконечных каскадов делятся на трансформаторные и бестрансформаторные

( последние могут быть с подключением нагрузки непосредственно к выходному электроду усилительного элемента или через конденса­тор связи).

Транзисторы в трансформаторных каскадах обычно включаются по схеме ОЭ, а в бестрансформаторных - по схеме ОК или, реже, по схеме ОЭ.