4. Каскады предварительного усиления

Каскады предварительного усиления усиливают слабые сигналы до уровня, необходимого для возбуждения выходного каскада. Они рабо­тают в режиме класса А, т. е. на линейном участке коллекторных ха­рактеристик транзистора.

Усилители с реостатно-емкостной связью характеризуются прос­тотой схемы, малым весом и габаритами, большой надежностью и хорошо стабилизируются по постоянному току. Они находят самое широ­кое применение. К недостаткам таких усилителей следует отнести от­сутствие согласования между входом последующего каскада и выходом предыдущего. Схема с общим эмиттером используется чаще всего, по­скольку она обеспечивает максимальное усиление. Сопротивление на­грузки каскада по переменному току задано (входное сопротивление последующего/каскада), поэтому максимум усиления по мощности является одновременно максимумом усиления по напряжению.

Простейшие схемы каскадов с реостатно-емкостной связью пред­ставлены на рис. 3.8. Эти схемы целесообразно применять для усилителей, работающих в малом интервале температур (10 –20°С). Для усилителей, предназначенных для работы в более широком интер­вале температур, следует использовать стабилизацию режима транзис­торов.

Рис. 3.8. способы подачи смещения в цепь база – эмиттер.

Наибольшее применение находит схема, приведенная на рис. 3.9, а.

Рис. 3.9. Эмиттерная стабилизация режимов транзистора

В двухкаскадных усилителях используются различные комбинации схем включения транзисторов. Если выходное сопротивление источ­ника сигнала и сопротивление нагрузки усилителя примерно равны между собой и их величины составляют несколько единиц или десятков килоомов, следует применять схемы каскадов с общим эмиттером; при малых сопротивлениях (меньше 100 ом) – схему с общим эмиттером или общей базой в первом каскаде и общим коллектором – во втором; при больших сопротивлениях (больше 100 ком) – схему с общим коллектором в первом каскаде и общим эмиттером во втором.

Если сопротивление нагрузки усилителя значительно превышает сопротивление источника сигнала, следует использовать двухкаскадную схему с общим эмиттером. При сопротивлении нагрузки усилите­ля меньшем, чем выходное сопротивление источника сигнала, рекомен­дуется двухкаскадная схема с общим эмиттером или комбинация схемы с общим эмиттером в первом каскаде и общим коллектором во втором.

Выбор режима транзисторов. Если напряжение источника питания не задано, то при его выборе необходимо учитывать следующее: при большем напряжении источника повышается коэффициент усиления каскада, поскольку имеется возможность увеличить сопротивление ре­зистора в цепи коллектора, однако снижается к. п. д. каскада. При большем напряжении источника питания можно увеличить сопротив­ление резистора в цепи эмиттера, улучшив тем самым стабилизацию режима транзистора. По возможности следует выбирать напряжение источника питания в пределах 6 – 12 в.

Выбирая режим транзистора, необходимо учитывать, что при умень­шении тока коллектора повышается к. п. д. каскада, но ухудшается температурная стабильность режима. Обычно из соображений эконо­мичности для каскадов предварительного усиления ток коллектора вы­бирают в пределах 1–2 ма. Исключение составляют предвыходные каскады, у которых ток коллектора может быть несколько больше. При токе коллектора 1 – 2 ма напряжение смещения база – эмиттер должно составлять 0,1 –0,5 в. Напряжение на коллекторе выбирается равным примерно половине напряжения источника питания. При снижении напряжения на коллекторе уменьшается усиление каскада. Уменьшение этого напряжения (иногда ниже 2 – 3 в) целесообразно в первых каскадах усилителей, работающих от источников слабых сигналов, поскольку при этом резко снижается уровень шумов транзисторов.

Выбор элементов каскада, собранного по схеме рис. 3.9, а, за­висит от предъявляемых требований. Если необходимо обеспечить температурную стабильность режима, ориентировочный выбор элемен­тов каскада производится следующим образом.

Сопротивление в цепи коллектор-эмиттер определяется по фор­муле

где Е – напряжение питания, в; U_k0 – напряжение на коллекторе, в; I_к0 –ток коллектора, ма.

Эквивалентное сопротивление базового делителя

Здесь h₁₁ – входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе. При больших значе­ниях R_б.э повышается входное сопротивление каскада, однако снижа­ется коэффициент усиления (при условии, что коэффициент нестабиль­ности остается неизменным). Иногда при больших R_б.э не удается обес­печить заданную стабильность.

Сопротивление резистора в цепи эмиттера

где S_h – коэффициент нестабильности каскада. Обычно для радиолю­бительских конструкций можно принимать S_h равным 3 – 6. Сопротивление резистора в цепи коллектора

R_к = R_к.э – R_э.

Сопротивления резисторов базового делителя

Коэффициент усиления каскада по напряжению можно определить по формуле

где y_21Э = h₂₁/h₁₁, y_22Э = h₂₂ – (h₁₂h₂₁)/h₁₁ – параметры транзистора (выбираются по справочникам), у_н – проводимость нагрузки каскада. Если нагрузкой является следующий каскад, то

Здесь R_вх2 – входное сопротивление последующего каскада. Входное сопротивление данного каскада

Выходное сопротивление каскада можно принять равным сопротив­лению резистора в цепи коллектора R_k .

Принимая допустимое снижение усиления каскада за счет раздели­тельного конденсатора С_р на низшей частоте f_н равным 10%, можно определить емкость этого конденсатора по формуле

где R_bx – входное сопротивление последующего каскада, ом; R_k – сопротивление резистора в цепи коллектора, ом.

Принимая допустимое снижение усиления на низшей частоте за счет конденсатора в цепи эмиттера равным 30%, определяют емкость конденсатора

,

Здесь f_н – низшая частота, гц; R_э – сопротивление резистора в цепи эмиттера, ом. Если выбрать большее значение емкости, частотные искажения уменьшатся.

Высшая частота рабочего диапазона определяется частотными свой­ствами транзистора. Для транзисторов П13 – П15 и П8 – П11 она обыч­но достигает нескольких десятков килогерц.

Пример. Выбрать элементы термостабильного каскада на тран­зисторе типа П15. Рабочий диапазон частот – 100 –7000 гц. Напряже­ние питания – 9 в. Сопротивление нагрузки каскада – 500 ом. Принимаем I_к0 = 2 ма;U_к0 = 4 в; S_н = 3.

Параметры транзистора: у_11э = 1000 мксим; у_21э = 30 000 мксим; у_22э = 25 мксим.

.

.

Принимаем R_б.э = 10 ком

Следовательно, при выбранных значениях S_н и R_б.э нельзя вы­полнить заданных требований. Если принять R_б.э = 3 ком, то R_э = 1,5 ком и R_к = 1,5 ком. Можно снизить требования в отношении температурной стабильности, приняв S_н = 6. Тогда при R_б.э = 10 ком получим:

R_э = 2 ком и R_к = 0,5 ком.

В этом варианте входное сопротивление каскада будет больше. Итак, принимаем S_н = 6, R_б.э = 10 ком. Далее определяем

Если принять S_h = 5 и R_б.э = 5 ком, коэффициент усиления воз­растет до 10, а входное сопротивление уменьшится до 0,8 ком.

Для повышения температурной стабильности каскадов можно использовать терморезисторы. Последние обычно включают парал­лельно резистору R_б.2 (рис. 3.9, а). В этом случае коэффициент нестабильности Sh может быть меньше единицы и даже отрицатель­ным. При использовании терморезисторов можно увеличить экви­валентное сопротивление базового делителя R_б.э и сопротивление ре­зистора Ra, благодаря чему повышается к. п. д., входное сопротивле­ние и усиление каскада. Вместо терморезисторов можно исполь­зовать обратно смещенный полупроводниковый диод.

Усилители с трансформаторной связью применяются в предоконечных каскадах. Основным достоинством таких усилителей является воз­можность обеспечить согласование низкого входного сопротивления по­следующего каскада с высоким выходным сопротивлением транзистора, чем достигается получение максимального усиления по мощности. Недостатком усилителей с трансформаторной связью является увеличе­ние размеров и веса усилителя за счет трансформатора.

Предоконечные каскады с трансформаторной связью собираются по такой же схеме, как и выходные однотактные каскады. Величины сопротивлений и емкостей определяются так же, как и для усилителей с емкостной связью.

Усилители с непосредственной связью содержат меньше деталей, легко настраиваются, не нуждаются в подборе транзисторов и мало чувствительны к изменению напряжения питания. Они отличаются лучшей частотной характеристикой и малыми нелинейными искаже­ниями. В усилителях с непосредственной связью легко добиться высо­кой температурной стабильности.

Перечисленные выше преимущества усилителей с непосредствен­ной связью могут быть реализованы лишь при введении глубокой отри­цательной обратной связи по постоянному току, подаваемой с выхода усилителя на первый каскад. Температурная стабильность тем выше, чем больше общее усиление и чем глубже обратная связь по постоян­ному току.

На рис. 3.10, а приведена схема с двумя обратными связями с вы­хода на вход. Стабилизация производится передачей напряжения с ре­зистора R₆ на базу первого транзистора и изменением напряжения эмит­тера первого каскада в зависимости от величины тока, протекающего

Рис. 3.10. Схемы усилительных каскадов с непосредст­венной связью: а – с двумя обратными связями; б – с транзисторами раз­личной проводимости.

через резистор R₅. В этом усилителе режим устанавливается резистором R₆ в или R₂. Поскольку R₃ не зашунтирован конденсатором, в усилите­ле действует отрицательная обратная связь по переменному току, рез­ко уменьшающая искажения.

В схеме, приведенной на рис, 3.10, б, использованы транзисторы с различной проводимостью. Режим усилителя устанавливается под­бором сопротивления резистора R₂.

.