11. Усилительные каскады с трансформаторной связью

Усилительные каскады с трансформаторной связью обы чно приме­няют тогда, когда требуется оптимальное согласование сопротивления нагрузки и выходного сопротивления усилительного каскада.

Такие усилительные каскады сравнительно дороги, имеют худшие частотные характеристики по сравнению с бестрансформаторными кас­кадами, вносят повышенные нелинейные искажения, имеют значитель­ную массу й габаритные размеры. Однако каскады этого типа нашли применение в многокаскадных усилителях, построенных на транзи­сторах, включенных по схеме с ОБ, и в усилителях, когда необходимо получить максимальный коэффициент усиления по мощности.

Трансформаторную связь в каскадах предварительного усиления обычно используют в схемах с ОЭ и ОБ.

Из курса «Теоретические основы электротехники» известно, что максимальная передача мощности от источника сигнала в нагрузку имеет место при равенстве их сопротивлений. Поэтому если /?_г и /?_в различны по значению, то их согласуют с помощью трансформатора, для которого в идеальном случае справедливы соотношения

% = RJn*; R'_r = R_rn\ п = W^W^

где R„ и Rp — соответственно сопротивление нагрузки, пересчитан­ное в первичную обмотку трансформатора, и сопротивление генера­тора, пересчитанное во вторичную обмотку; IF_a и ^ — числа витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

Так как в режиме оптимального согласования необходимо соблю­дение соотношений

/?В ~ ^г! Rr ~ Rв» то коэффициент трансформации для оптимального согласования

n=*VRJR^

В усилительных каскадах возможно параллельное и последова­тельное включение обмоток трансформаторов с транзисторами. При последовательном включении обмотку трансформатора включают в

соответствующую цепь вместо нагрузочного сопротивления и через нее протекает и постоянный, и переменный ток (рис. 3.33, а). Постоянный ток воздает постоянный магнитный поток подмагничивания. При па­раллельном включении трансформатор подключают параллельно со­ответствующему сопротивлению в цепи коллектора через конденса­тор (рис. 3.33, б). В этом случае через обмотки трансформатора по­стоянный ток не протекает и подмагничивание магнитного сердечника отсутствует.

Особенностью транзисторных каскадов с трансформаторной свя­зью является то, что согласующий трансформатор должен быть, как правило, понижающим. Действительно, если рассмотреть усилитель-

Рис. 3.33. Схемы трансформаторных каскадов; а —с последовательным включением трансформаторов; б —с парал­лельным включением трансформаторов

ный каскад о параллельным включением трансформатора, то Я_вых « » R_K, и если нагрузкой /?_в является входная цепь каскада в общим эмиттером, имеющая входное сопротивление

^_ВХ ^ ^1 13 ^ ^213 ^*Э.ДИф> ^ ^ ⁼ 3^^213 ^"э.диф^^н*

Учитывая, что значение Я_к составляет несколько килоом, нетруд­но подсчитать, что обычно п<1 (порядка 0,25—0,5).

Эквивалентную схему трансформатора представляют в виде, пока­занном на рис. 3.34. В этой схеме Li — индуктивность намагничива­ния; г* — активное сопротивление первичной обмотки; г? — активное сопротивление вторичной обмотки, приведенное к первичной цепи; L_al — индуктивность рассеяния первичной обмотки; L$i — индук­тивность рассеяния вторичной обмотки, приведенная к первичной цепи; г_сп— сопротивление, характеризующее потери в магнитном сер­дечнике; Ct ц C_a— емкость первичной и приведенная емкость вторич­ной обмоток.

В связи с тем что использование полной эквивалентной схемы при расчете приводит к громоздким выражениям, затрудняющим анализ, обычно рассматривают отдельные эквивалентные схемы для низких (рис. 3.34, 6), средних (рис. 3.34, с) и высоких (рис. 3.34, г) частот.

При этом появляется возможность пренебречь параметрами, которые существенно не влияют на ход процессов в рассматриваемом диапазо­не частот.

Для четкого уяснения влияния трансформатора на результирую­щие характеристики каскада проанализируем, как изменяется коэф­фициент усиления схемы с ОЭ при подключении источника входного сигнала и нагрузки через трансформатор. Для определенности рас­смотрим параллельную схему включения трансформатора Тр^ (см. рис. 3.33,6).

а) 5)

6 ^гг б Is-lx^st ^гг

О— □ ГЙ О 0-1 l-onh-i ю

о — о о о

0) г)

Рис. 3.34. Полная эквивалентная схема трансформатора (а); упрощенные эквивалентные схемы: б — для области низких частот; в — для области средних частот; г — для области высоких частот, Li — индуктивность намагничивания; Ч и г ₂ — активные сопротивления обмоток, приведенные к первич- ной обмотке; Lst и!^-индуктивности рассеяния, приведенные к пер- вичной обмотке; гсп — сопротивление, характеризующее потери в маг- нитной системе

Для каскада с ОЭ коэффициент усиления по напряжению в диапа­зоне средних частот

Если вместо Д_в и R_r подставить 2% и 7?; и учесть, что обычно 7?н ^ (g + g), а также что входное напряжение изменяется в ^ раз, а выходное — в и₂ раз, получим коэффициент передачи напряжения для схемы с ОЭ и трансформаторной связью в диапазоне средних частот:

„ ^A21j(^SkII^)

Можно определить все интересующие параметры трансформатор­ного усилительного каскада, подставляя соответствующие величины, полученные о учетом эквивалентной схемы в данном диапазоне ча­стот.

Трансформаторное согласование позволяет существенно улучшить энергетические характеристики усилительного каскада. Например, если Д_в = Д_вх; R„ = /?_Вых = Ю7?_вх; Й21э= 40, то при бестранс- форматорном подключении К_и = 3,5; Kt = 40, а при согласовании с помощью трансформатора К_и - 20; Ki =* 200.

При рассмотрении работы каскада в области низких частот нельзя пренебрегать индуктивностью L_it создающей поток намагничивания, так как она обусловливает частотные искажения в этой области. Из

у

входной и выходной цепей трансфор-

а) 5) .

Рис. 3.35. Упрощенные эквивалентные схе­мы входной (а) и выходной (б) цепей уси­лительного каскада в области низких ча­стот

прощенных эквивалентных вхем маторного каскада (рис. 3.35, а, б) видно, какое влияние оказывает эта индуктив­ность⁹.

Ответвление тока эквива­лентного генератора Лш ig в индуктивность L_a приводит к уменьшению нагрузочного

тока и выходного напряже* ния, а ответвление тока, вы званного генератором «_г, в индуктивность L_t уменьшает входной ток.

Следует отметить, что с развитием микроэлектроники применение трансформаторов для согласования каскадов практически прекрати­лось. Это связано с отсутствием микроминиатюрных трансформаторов.