Каскады предварительного усиления.

Сигнал, малый по мощности или по напряжению, обычно усиливается в два этапа: В начале напряжение сигнала усиливается до значения, достаточного для управления мощными усилительными элементами при незначительном усилении мощности, а затем уже усиливается мощность до заданной величины. Обычно, структурная схема усилителя УНЧ выглядит следующим образом:

Обычно, для связи между каскадами используются RС- цепи. Трансформаторы для межкаскадных связей в усилителях используются редко.

В каскадах предварительного усиления используются маломощные усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления по току. Режимы их работы и способ включения выбираются таким образом, чтобы получить возможно большее усиление сигнала при малом расходе питающей энергии. Поэтому, основным требованием предъявляемым к предварительным каскадам является наибольший возможный коэффициент усиления прри заданной частотной, фазовой или переходной характеристике.

Каскады мощного усиления.

Задача каскада мощного усиления развить необходимую мощность в нагрузке при достаточно высоком КПД и наименьшем уровне нелинейных и частотных искажений.

Очень часто с целью обеспечения наивыгоднейших условий работы усилительного элемента, для связи с внешней нагрузкой используется так называемый выходной трансформатор. Применение трансформатора имеет ряд преимуществ:

• малое сопротивление постоянному току первичной обмотки трансформатора, включенной в качестве коллекторной нагрузки, в результате чего на ней практически нет падения напряжения от постоянной составляющей тока, и почти все напряжение источника питания приложено к выходным электродам усилительного элемента;

• трансформатор позволяет создать усилительному элементу наивыгоднейший режим в отношении сопротивления нагрузки.

Если низкоомную нагрузку (единицы Ом) включить непосредственно в выходную цепь усилительного элемента, то это повлечет за собой весьма существенное усиление мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку. При этом одновременно могут возрасти нелинейные искажения. Если же подсоединить этот низкоомный потребитель ко вторичной обмотке понижающего трансформатора, то сопротивление нагрузки, отнесенное к первичной обмотке трансформатора Rн*=Rн/n², где n=₂/₁. Это эквивалентно включенное в выходную цепь усилительного элемента сопротивление в 1/n² раз большего , чем сопротивление резистора нагрузки Rн. Подбирается соответствующим образом коэффициент трансформации понижающего трансформатора (n<1), можно получить наивыгоднейшее эквивалентное сопротивление нагрузки Rн* и увеличить ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора, и тем самым выделить на резисторе нагрузки Rн заданную полезную мощность. N- зависит от конкретного типа усилителя и лежит в пределах 0.01-0.4.

Кроме того при наличии выходного трансформатора постоянная составляющая выходного тока не проходит через нагрузку Rн, за счет чего уменьшается потеря энергии питания, то есть возрастает КПД усилителя.

К недостаткам следует отнести большие размеры, стоимость, массу, а так же трудности получения хорошей частотной характеристики.

Однотактный трансформаторный каскад мощного усиления.

Эта схема имеет низкий КПД, т.к. может использоваться только в режиме А. Уровень нелинейных искажений сравнительно велик, т.к. выходные характеристики недостаточно линейны.

Каскад с ОБ дает небольшой коэффициент гармоник. Трансформаторная межкаскадная связь позволяет создать для усилительного элемента наивыгоднейшую нагрузку, что стабилизирует работу усилителя. Сопротивлением эмиттерной стабилизации выходного каскада является сопротивление вторичной обмотки трансформатора Тр1. В случае необходимости усиления стабилизации каскада включают дополнительно резистор R_Э и конденсатор С_Э.

Двухтактный каскад мощного усиления.

Двухтактные трансформаторные усилители характеризуются большой выходной мощностью и высоким КПД. В связи с этим их используют в основном в качестве мощных выходных усилителей и только иногда- как усилители напряжения.

Существуют различные схемы двухтактных усилителей. Схема на рисунке, представляет собой соединение двух половин, называемых плечами.

Оба плеча должны быть электрически симметричны. Симметричных режимов можно добиться различными способами. Этого можно добиться если первичную обмотку выходного трансформатора сделать из двух одинаковых половин. А входные напряжения так же подавать симметрично. На схеме симметрирующим элементом является согласующий трансформатор Тр1, выходная обмотка которого создает два противофазных синусоидальных напряжения.

Если условия симметричности выполнены, то все составляющие токов обоих каскадов оказываются равными.

При равенстве постоянных токов коллекторов отсутствует постоянное подмагничивание сердечника выходного трансформатора Тр2. Это позволяет выбрать размеры трансформатора значительно меньше, чем в однотактной схеме.

При равенстве переменных составляющих коллекторных токов транзисторов, магнитный поток в сердечнике создает только нечетные гармоники сигнала, которые проходят в первичной обмотке трансформатора в одной полуволне. Четные гармоники коллекторных токов не создают в трансформаторе магнитного тока, т.к. протекают в первичной обмотке навстречу друг другу. По этой причине в двухтактной схеме уровень нелинейных искажений ниже , чем в однотактной с трансформатором. Если для двухтактного трансформаторного усилителя выбрать режим работы класса В, то высшие нечетные гармоники коллекторных токов исчезают, и переменный магнитный поток в трансформаторе создают только первые гармоники переменных составляющих. В режиме АВ нечетные гармоники коллекторных токов транзисторов есть, но их амплитуды незначительны по сравнению с первой гармоникой. Еще одна особенность. Схема двухтактного трансформаторного усилителя малочувствительна к пульсациям напряжения коллекторного питания Ек, т.к. одинаковые по величине и направлению изменения коллекторных токов не будут создавать в трансформаторе магнитного потока (нет гула). Поэтому можно упростить фильтрацию питания.

Преимущество двухтактного трансформаторного усилителя заключается так же в малой паразитной связи с предыдущими каскадами, возникающей через общий источник коллекторного питания, потому что к этому источнику проходят только четные гармоники усиливаемого сигнала, а на их частотах самовозбуждения усилителя не возникает. По этой причине в малокаскадных усилителях упрощаются, а иногда и полностью исключаются развязывающие фильтры и часто отпадает необходимость в блокировочном конденсаторе.

К недостаткам- необходим тщательный подбор пар транзисторов с идентичными параметрами, частотные и фазовые искажения, вносимые трансформатором, и необходимость иметь на входе парафазный сигнал.

Другие схемы (бестрансформаторные).

Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь без выходного трансформатора позволяют устранить эти недостатки, снизить размеры, массу и стоимость каскада и избавиться от нелинейных искажений в режиме В из- за отсечки.

Если включить нагрузку в однотактной схеме непосредственно, то через нее потечет значительный ток постоянной составляющей, что снизит КПД. В бестрансформаторном двухтактном усилителе постоянная составляющая через нагрузку не течет, но для получения высокого КПД необходимо иметь нагрузку с повышенным сопротивлением.

Один из вариантов:

Питание осуществляется от двух источников питания, соединенных последовательно или от одного со средней точкой.

Рассматриваемый каскад может работать как в режиме класса А, так и в режиме класса В.

Самой распространенной схемой, не имеющей аналогов в ламповых схемах является схема с комбинацией транзисторов N-P-N и P-N-P типов. Эта схема имеет все достоинства обычных двухтактных каскадов, но вход и выход в них- однотактные, так что не требуется ни трансформаторов, ни фазоинверторов.

Симметрия зависит от транзисторов, которые должны иметь одинаковые параметры и характеристики.

В этом каскаде транзисторы оказываются включенными по постоянному току- последовательно, а по переменному- параллельно. Общий провод предварительных каскадов можно подключить как к точке А, так и к точке В. При подключении к точке А используется лишь половина напряжения питания мощного каскада. При подключении к точке В можно использовать все напряжение питания мощного каскада, но точка А оказывается под выходным напряжением сигнала последнего, что требует увеличения необходимого входного напряжения.