Раздел 5. Предоконечные каскады

Назначение предоконечного каскада состоит в том, чтобы его выходным сигналом привести в действие оконечный каскад. Поэтому основные требования к нему - большая амплитуда неискаженного выходного сигнала и малое выходное сопротивление. В зависимости от схемы оконечного каскада драйвер должен развивать выходное напряжение однофазное, двухфазное или два отдельных, противоположных по фазе сигнала, не имеющих общей точки. Однофазный сигнал получают обычно от резисторного каскада с ОЭ, а противофазные получают от трансформаторного каскада или специального фазоинверсного каскада.

Рассмотрим некоторые из схем предоконечных каскадов.

Трансформаторный предоконечный каскад

Данный каскад может быть построен по трем схемам: рис 37-а, б, в, простейшим из которых (а) является тот, в котором первичная обмотка трансформатора включена непосредственно в цепь коллектора и через эту обмотку на коллектор подается напряжение источника питания. Вторичная обмотка имеет вывод от средней точки, относительно которой на ее половинах развивается два напряжения, равных по величине и противоположных по фазе.

Рис.37 Трансформаторный предоконечный каскад: а – со средней точкой вторичной обмотки;

б – с разделительным конденсатором; в – с двумя отдельными вторичными обмотками

Недостаток схемы: постоянное подмагничивание сердечника током покоя транзистора.

Чтобы избежать этого, включают сопротивление коллекторной нагрузки R_к, через которое подается питание на коллектор, а первичную обмотку трансформатора подключают к коллектору через разделительный конденсатор, не пропускающий в нее ток покоя транзистора (рис.37,б). Схема (в) имеет две отдельные вторичные обмотки без средней точки. Поэтому она применяется, если оконечный каскад выполнен по двухтактной бестрансформаторной схеме на транзисторах одного типа с ОЭ. Все приведенные схемы однотактные, поэтому работают в режиме А.

Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой

Эта схема построена на одном транзисторе, нагрузка у которого состоит из резисторов R_к и R_э. (рис.38) Они включены соответственно R_к - у коллектора, R_э- у эмиттера, что позволяет снять с них два противоположных по фазе напряжения. Максимальное выходное напряжения плеча равно половине развиваемого в коллекторной цепи. Схема проста, имеет малые искажения, но не дает усиление по напряжению и построена несимметрично: верхнее плечо имеет свойства схемы с ОЭ, а нижнее - ОК, поэтому у них неравные выходные сопротивления, а, следовательно, и напряжения.

Рис.38 Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой

Иногда для выравнивания симметрии последовательно с выходом нижнего плеча включают добавочный резистор R_доб (на схеме показан пунктиром).

Фазоинверсный каскад с эмиттерной связью

В схеме с эмиттерной связью два плеча: ведущее - на транзисторе VT₁ и ведомое - VT₂ .(рис.39) Первое плечо (ОЭ) усиливает сигнал, переворачивая его по фазе, и он снимается с коллектора R′_к - U′_вых.

Эмиттеры транзисторов соединены в общую цепь, в которую

включено сопротивление эмиттерной связи R_эобщ - на нем разностным

п еременным током двух транзисторов создается напряжение входного сигнала ведомого плеча VT₂ - U″_вых.

Рис.39 Фазоинверсная схема с эмиттерной связью транзисторов ОЭ и ОБ

База VT₂ имеет по сигналу потенциал общего провода, поскольку соединена с ним через блокировочный конденсатор большой емкости С_б. Усиленный вторым плечом сигнал U″_вых снимается с коллектора транзистора VT₂ в той же фазе, что и на входе этого плеча (ОБ сигнал не переворачивает). Таким образом, схема дает два, противоположных по фазе относительно общего провода, сигнала.

В режиме покоя R_эобщ выполняет функции эмиттерной стабилизации режимов обоих транзисторов.

По принципу действия схема должны быть асимметричной, т.к. сигнал на входе VT₂ создается разностным током, а значит, чем больше R_эобщ, тем меньше асимметрия плеч. Обычно она составляет 2 - 5%.

Причем, первоначальная асимметрия плеч в процессе работы стабилизируется тем точнее, чем больше R_эобщ. Это объясняется: пусть уменьшился ток VT₂ (старение, замена), значит, уменьшилось U″_вых, т.е. асимметрия возросла, но при этом увеличится разностный ток, следовательно, повысится входное напряжение VT₂ на R_эобщ и возрастет его выходное напряжение U″_{вых ,} т.е. восстановится асимметрия. Это происходит за счет ООС по току в ведомом плече.

В этой схеме малы нелинейные искажения, фон переменного тока, максимальный неискаженный сигнал вдвое больше, чем в схеме с разделенной нагрузкой.

Дифференциальный каскад (рис.40)

Такой каскад не является привычным драйвером, но он используется перед предоконечным каскадом в аппаратуре серии «Звук Т» и входит в выходную часть оконечного усилителя, обхваченного общей петлей обратной связи. Его принцип действия удобно рассмотреть в этой теме, т.к. по построению эта схема практически не отличается от схемы с эмиттерной связью.

Дифференциальным называется каскад, имеющий два симметричных входа и дающий на выходе напряжение, пропорциональное разности входных сигналов («дифференциальный» - разностный). Его схема на рис 41.

На базы обоих транзисторов подаются два равных сигнала в противофазе, т.е. U″_вх = - U′_вх Выходной сигнал создается между коллекторами этих транзисторов, куда подключается следующий каскад или внешняя нагрузка R_н. Так как каждый транзистор усиливает и переворачивает сигнал (схемы с ОЭ), то на сопротивлениях коллекторов R_к′ и R_к″ развиваются выходные напряжения U′_вых и U″_вых, а выходное напряжение U_вых является разностью потенциалов между коллекторами и определяется:

Рис.40 Дифференциальный каскад

U_вых ═ U′_вых - U″_вых или U_вых ═ К٠(U′_вх - U″_вх),

где К – коэффициент усиления плеча схемы, то есть выходное напряжение пропорционально разности входных.

При нормальной работе каскада входные напряжения подаются в противофазе и их разность равна сумме абсолютных величин напряжений, т.е. U_вых ═ U′_вых + U″_вых .

В эмиттерную цепь транзисторов включено сопротивление эмиттерной связи R_{э общ,} которое создает эмиттерную стабилизацию каждого транзистора и обеспечивает связь по току сигнала между эмиттерами транзисторов. Когда на вход поданы противофазные сигналы, через R_эобщ проходят переменные составляющие токов транзисторов в противоположных направлениях, и если схема симметрична, то они взаимно компенсируются, при этом не создают напряжения обратной связи по току и коэффициент усиления не уменьшается, а получается вдвое больше, чем для одного транзистора в схеме ОЭ.

Достоинства: нечувствителен к помехам, попадающим на входы в одинаковой фазе, т.к. выходное напряжение U_вых в симметричной схеме равно нулю, а переменные токи проходят при этом в одном направлении, складываются и создают глубокую ООС по току, резко уменьшающую их коэффициент усиления, что еще больше ослабляет чувствительность схемы. Температурная стабилизация режима тем эффективнее, чем больше сопротивление резистора R_эобщ.. Однако с ростом этого сопротивления растут и на нем потери напряжения (U) и мощности (P), потребляемой источника питания.

Такой каскад применяется в ИМС контрольного усилителя УК-37 («ЗвукТ»).

В оконечном усилителе «ЗвукТ» применена другая разновидность дифференциального каскада, в котором во-первых, на следующий каскад снимается только один частичный сигнал с коллектора VT_1, а VT₂ включен по схеме с ОК и на его вход подается напряжение обратной связи (U_ос) с выхода всего усилителя; во-вторых, роль R_эобщ.. выполняет динамическое сопротивление в виде транзистора VT₃ с ОБ, являющегося токостабилизирующим двухполюсником.

Эту же схему можно использовать в качестве предоконечного каскада, если подавать сигнал только на первый вход, а снимать два противофазных частичных сигнала с коллекторов VT₁ и VT₂ относительно общего провода. Входной сигнал для VT₂ будет создаваться на R_эобщ разностью переменных токов, для чего должно соблюдаться условие: i′ _{к ~} › i ″_{к ~}

Контрольные вопросы:

1. Назначение и требования, предъявляемые к предоконечному каскаду;

2. Перечислить известные схемы предоконечных каскадов;

3. Объяснить назначение элементов схем предоконечных каскадов;

4. Принцип работы и свойства схем предоконечных каскадов.