Учебное пособие 800596

2.5.2. Предоконечные каскады

Предоконечный каскад (драйвер) является источником сигнала для оконечного каскада. Он должен обеспечить такие условия работы входной цепи оконечного каскада, при которых последний может отдать в нагрузку максимальную неискаженную мощность.

Основные требования к ПОК – большая амплитуда неискаженного сигнала на выходе и малое выходное сопротивление.

Выбор схемы ПОК зависит от вида и режима работы оконечного каскада (ОК)

Наиболее простыми являются фазоинверсная схема на одном усилительном элементе с разделенной нагрузкой (рис. 2.71а) и трансформаторная схема (рис. 2.71б) предоконечных каскадов на биполярных транзисторах.

а)

б)

Рис. 2.71

183

Принцип работы фазоинверсного каскада (рис. 2.71а) основан на свойстве биполярного транзистора изменять фазу Uвх в схеме с ОЭ на 1800 и сохранять фазу Uвх в схеме с ОК. Таким образом на выходе каскада можно получить два противофазных переменных

сигнала одинаковых по амплитуде Uвых Uвых , поступающих на

входы двух плеч оконечного каскада.

Верхнее плечо каскада с коллекторным выходом можно рассматривать как схему с ОЭ с коллекторной нагрузкой Rк и сопротивлением в цепи эмиттера Rэ, обладающую большим выходным сопротивлением.

Нижнее плечо каскада с эмиттерным выходом можно рассматривать как схему с ОК, имеющую малые нелинейные и частотные искажения, малое выходное сопротивление и коэффициент

усиления напряжения КU<1. При Uвых Uвых и верхнее плечо не

усиливает напряжение сигнала.

Схема с разделенной нагрузкой имеет меньшие частотные, фазовые и нелинейные искажения, чем трансформаторная.

Недостатком ее является вдвое меньшая, чем в резисторном каскаде, амплитуда максимального неискаженного сигнала, необходимость подавать большое напряжение сигнала на вход, асимметрия плеч, вызванная неравенством выходных сопротивлений.

Принцип работы трансформаторного каскада основан на свойстве трансформатора: при заземлении средней точки вторичной обмотки на выводах этой обмотки фазы сигнала противоположны, т.е. каскад является фазоинверсным.

Фазоинверсные каскады резисторного типа выгодно отличаются от трансформаторных использованием дешевых малогабаритных деталей массового производства, а также меньшими частотными, фазовыми и нелинейными искажениями.

2.5.3. Оконечные каскады

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

По режиму работы схемы ОК могут быть однотактными, как рассмотренная схема КПУ, или двухтактными, имеющими два плеча, работающих в противофазе, и построенных на двух усилительных элементах или более.

184

По способу подключения внешней нагрузки схемы ОК делятся на трансформаторные и бестрансформаторные.

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

Для расчета ОК используют графоаналитические методы, позволяющие построить динамические характеристики для постоянного и переменного токов и оценить величину не только выходной мощности, напряжения и тока, но и нелинейных искажений.

Однотактный оконечный каскад обычно строится по трансформаторной схеме (рис. 2.72), с включением транзистора по схеме ОЭ.

Рис. 2.72

Схема однотактного каскада проста, но усилительный элемент может работать только в режиме А, что обусловливает низкий КПД и малую полезную мощность, хотя малы нелинейные искажения. Сердечник трансформатора подмагничивается постоянным током, проходящим по первичной обмотке, поэтому во избежание насыщения сердечника и резкого увеличения за счет этого нелинейных искажений приходится увеличивать размеры сердечника, а следовательно, и габариты трансформатора.

Однотактный ОК применяется в усилителях малой мощности (до 0,5 1 Вт)

Двухконтактный каскад строится на двух усилительных элементах, каждый из которых со своими цепями составляет одно плечо схемы. Плечи должны быть симметричными, т.е. иметь одинаковые параметры усилительных элементов и других деталей.

185

Усложнение схемы по сравнению с однотактной оправдывается теми существенными преимуществами, которыми обладают двухконтактные каскады. Главное из них – возможность получить большую полезную мощность за счет использования экономичных режимов В и АВ при небольших нелинейных искажениях.

Двухтактные каскады по способу включения нагрузки могут быть трансформаторными (рис. 2.73 ) и бестрансформаторными

(рис. 2.74).

Рис. 2.73

Преимущества полностью реализуются только при абсолютной симметрии плеч двухтактной схемы, что трудно достижимо на практике.

Трансформаторные ОК обладают существенными недостатками: наличие трансформатора увеличивает частотные и нелинейные искажения, а также габариты, массу и стоимость устройства и затрудняет применение глубокой обратной связи по сигналу из-за больших фазовых искажений; усложняется задача исходного режима с помощью отрицательной обратной связи по постоянному току. Поэтому в транзисторных усилителях широкое применение нашли двухтактные бестрансформаторные схемы (рис. 2.74).

186

В зависимости от того, в каком режиме работает источник колебания во входной цепи, усиление будет происходить с большими или меньшими нелинейными искажениями. Рассмотрим два наиболее характерных случая. Пусть источник колебаний создает синусоидальную ЭДС евх=Еmвх sin ωt и имеет внутреннее сопротивление Rи.к. Будем считать это сопротивление и сопротивление нагрузки Rн линейными. Входное сопротивление транзистора Rвх, как известно, нелинейно, поскольку нелинейна входная характеристика iвх=f(Uвх), отражающая нелинейные свойства самого транзистора.

Так как сопротивление Rвх у транзисторов мало, наиболее часто бывает, что Rвх«Rи.к., и тогда источник колебаний работает как генератор тока, т.е. в режиме, близком к короткому замыканию. Входной переменный ток в этом случае iвх евх Rи.к. и является синусоидальным поскольку ЭДС евх синусоидальна, а сопротивление Rи.к линейно. Переменный ток на выходе приблизительно пропорционален входному току и также синусоидален. Очевидно, и выходное напряжение Uвых=iвыхRн будет синусоидальным, т.е. усиление происходит с малыми нелинейными искажениями. При этом, хотя входное напряжение Uвх=iвхRвх оказывается искаженным (несинусоидальным), так как Rвх нелинейно, тем не менее на выходе получаются почти не искаженные усиленные колебания. Небольшие нелинейные искажения все же наблюдаются из - за того, что зависимость iвых от iвх не является строго линейной.

Значительно реже бывает, что Rвх»Rи.к., так как источники колебаний с очень малым внетреннем сопротивлением встречаются не так часто. В этом случае ток iвх евх/Rвх и является несинусоидальным, поскольку Rвх нелинейно. Но тогда и выходной ток, пропорциональный входному току, будет несинусоидальным, а следовательно, и выходное напряжение получится искаженным, несмотря на то что входное напряжение в данном режиме приблизительно равно ЭДС и имеет синусоидальную форму.

2.6.1. Расчет режима усиления с помощью параметров транзистора

Простейший расчет рабочего режима является приближенным, что допустимо во многих случаях, так как параметры транзисторов имеют разброс.

190

Если Rн«Rвых, то коэффициент усиления по току кi прибли-

женно равен h21, т.е. кi для схемы ОБ и кi для схемы ОЭ. Коэффициент усиления каскада по напряжению

кu=Um вых Um вх= I m выхRн (Im вхRвх)=кiRн Rвх

Входное сопротивление каскада можно приближенно считать равным параметру h11 транзистора:

Rвх h11, тогда кu Rнh21/h11.

Но h21/h11=y21, и, следовательно, можно написать (y- параметры – это система параметров в виде проводимостей)

кu y21Rн.

Вывод формул для более точного расчета режима усиления основан на использовании уравнений

Um1=h11Im1+h12Um2;

Im2=h21Im1+h22Um2.

Выразим Um2 через Im2. При этом учтем, что U2=E2–i2Rн. Тогда – U2=i2Rн, так как приращение постоянной величины Е2 равно нулю. Приращения можно рассматривать как амплитуды и тогда получим Um2= –Im2Rн. Знак ―минус‖ показывает, что между изменениями U2 и i2 имеется фазовый сдвиг на 1800. Перепишем предыдущие уравнения, заменив Um2 на –Im2Rн

Um1=h11Im1–h12Im2Rн;

Im2=h21Im1–h22Im2Rн.

Решим второе уравнение относительно Im2:

Im2+h22Im2Rн=h21Im1;

Im2(1+h22Rн)=h22Im1.

Разделив обе части последнего равенства на 1+h22Rн и на Im1, получим

191