параметров, как и в случае с чисто активной нагрузкой, достигается целенаправленным усовершенствованием конструкции трансформатора, что влечет за собой его удорожание.
Работа каскада в условиях комплексной нагрузки практически не отличается от предыдущего случая. Вид частотной и фазовой характеристик попрежнему определяется наличием в выходной цепи колебательного контура LSC'Н. Однако добротность этого контура в данном случае может изменяться за счет вариаций сопротивления R'2 и приведет к соответствующему изменению частотной и фазовой характеристик. В отдельных случаях такой способ коррекции частотной характеристики трансформаторного каскада оказывается весьма удобным, достаточно простым и дешевым.
4.6.Специальные схемы каскадов предварительного усиления
4.6.1.Каскодный усилитель
Известно, что схема с общей базой имеет наиболее широкую равномерную частотную характеристику [16]. Однако входное сопротивление этой схемы невелико, что в большинстве случаев затрудняет связь каскада с общей базой с источником сигнала. Применение каскодной схемы позволяет устранить этот недостаток и придает усилителю ряд новых положительных качеств. На рис. 4.32, а, б представлены два каскодных усилителя с последовательным и параллельным питанием транзисторов. Как видно из рисунка, каскодная схема является двухкаскадным усилителем. В первом каскаде транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а во втором – по схеме с общей базой. Для задания рабочей точки в обеих схемах используется обычная эмиттерная стабилизация. Постоянное напряжение на коллекторе транзистора VT1 в схеме рис. 4.32, а задается делителем напряжения в цепи базы транзистора VT2 , состоящим из сопротивлений R4 , R6 . Напряжение с нижнего плеча делителя R4 через открытый переход база-эмиттер транзистора VT2 поступает на коллектор транзистора VT1. При достаточно высоком напряжении источника питания Е0 предпочтительнее использовать схему на рис. 4.32, а, так как она содержит меньшее количество деталей.
175
|
|
R2 |
|
|
|
+E0 |
RИ |
|
VT1 |
|
VT2 |
R5 |
|
|
|
|
|
|
||
|
C1 |
|
|
|
C4 |
|
EИ |
U1 |
C2 |
R4 |
R6 |
U2 |
|
|
R1 |
|
R3 |
|
C3 |
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
+E0 |
|
|
R1 |
R3 |
R7 |
R8 |
|
|
|
|
C3 |
VT2 |
|
C5 |
RИ |
C1 |
VT1 |
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
R5 R6 |
|
U2 |
EИ |
U1 |
C2 |
|
|
|
|
R4 C4
б
Рис. 4.32
Сигнал с выхода первого транзистора попадает на эмиттер второго. Так как входное сопротивление транзистора с общей базой очень мало, коэффициент усиления первого транзистора VT1 получается сравнительно небольшим, примерно равным единице, но зато его частотная характеристика значительно расширяется, приближаясь по ширине полосы пропускания к схеме с общей базой. Объясняется это тем, что при коэффициенте усиления близком к единице входная динамическая емкость С0 каскада с общим эмиттером получается небольшой и практически не превышает по своей величине емкость CБ′Э + 2СК
176
(3.20). Таким образом, полоса пропускания двухкаскадного усилителя (см. рис. 4.32) стремится к полосе пропускания схемы с общей базой.
Не трудно заметить, что переменный ток коллектора транзистора VT1 втекает в эмиттер транзистора VT2 и практически равняется его выходному току – току коллектора. Этот ток, протекая по сопротивлению нагрузки (R5), создает на нем напряжение, поступающее на выход схемы через конденсатор С4 в виде напряжения усиленного сигнала U2 . Следовательно, напряжение U2 получается равным произведению тока коллектора транзистора VT1 на сопротивление нагрузки транзистора VT2:
U2 = IK1R5 = y21,1U1R5 , |
(4.89) |
где y21,1 – крутизна транзистора VT1.
Коэффициент усиления каскодной схемы получается равным произведению крутизны первого каскада на нагрузку второго:
K = |
U2 |
= y21,1R5 . |
(4.90) |
|
U1 |
|
|
Паразитная обратная связь, осуществляемая за счет передачи энергии с коллектора VT2 на его маленькое входное сопротивление со стороны эмиттера и далее на базу транзистора VT1, получается очень слабой, что позволяет получить для каскодной схемы большое устойчивое усиление в широкой полосе частот.
Полоса пропускания каскодной схемы может быть расширена еще в 1,5 - 2 раза путем введения высокочастотной эмиттерной и индуктивной коррекций.
Благодаря своей широкополосности и устойчивости каскодные схемы нашли большое применение в качестве входных каскадов телевизионных и радиоприемных устройств.
177
4.6.2. Усилитель с распределенным усилением
Очень часто при разработке различных измерительных устройств, особенно для области импульсных сигналов, возникает необходимость в усилителях с полосой пропускания в сотни мегагерц и с достаточно высоким выходным напряжением. Как видим, требования к таким усилителям получаются весьма противоречивыми. Действительно, для получения высокого выходного напряжения необходимо иметь каскад с большим выходным током и достаточно высокоомной нагрузкой. В этом случае даже сравнительно небольшие выходная емкость транзистора и паразитная емкость нагрузки не позволят получить необходимую полосу пропускания. Увеличение выходного тока связано с увеличением мощности используемых транзисторов и, как правило, с ростом их выходной емкости, что снова ведет к сужению полосы пропускания (аналогичные явления наблюдаются при параллельном включении нескольких транзисторов). Увеличение верхней граничной частоты за счет снижения сопротивления нагрузки приводит к уменьшению коэффициента усиления и выходного напряжения.
Сгладить указанные противоречия и получить усилитель с полосой в несколько сотен мегагерц (со временем установления около наносекунды) позволяет каскад с бегущей волной (с распределенным усилением). Схема такого каскада представлена на рис. 4.33.
178
|
+Е0 |
СР |
|
|
|
СР |
+Е0 |
|
RK |
СК |
|
СК |
СК |
СК |
RK |
|
СР |
LК |
|
LК |
LК |
CP |
|
|
|
VT1 |
|
VT2 |
|
VTn |
U2 |
RИ |
|
|
|
|
|
|
RБ1 |
EИ |
U1 |
LБ |
|
LБ |
LБ |
|
RБ2 |
|
|
CБ |
CБ |
|
CБ |
CБ |
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.33 |
|
|
Схема усилителя с распределенной нагрузкой содержит несколько транзисторов, коллекторы и базы которых соединены между собой длинными линиями, нагруженными на концах соответствующими волновыми сопротивлениями. Длинная линия в цепи базы образована индуктивностями LБ и входными емкостями транзисторов СБ. Аналогично длинная линия в цепи коллектора состоит из индуктивностей LК и паразитных емкостей СК в цепи коллектора каждого транзистора. Для создания в линиях режима бегущей волны каждая из них нагружена с обоих концов на сопротивления, равные волновым. Для базовой линии в качестве нагрузок используются сопротивления источника сигнала RИ = ρБ и параллельное соединение сопротивлений RБ1 и RБ2, которые также подбирается равным характеристическому сопротивлению базовой линии ρБ. Коллекторная линия на концах нагружена на сопротивления, равные характеристическому RК = ρК. Индуктивности звеньев линий берут такими, чтобы скорости распространения бегущей волны по обеим линиям были равными. Это достигается при равенстве произведений LБСБ = LКСК.
При подаче на вход каскада скачка напряжения в базовой линии начинает распространяться бегущая волна. Скачок напряжения на базе приводит к появлению скачка коллекторного тока y21U1. Нагрузкой коллектора каждого транзистора являются две части линии (справа и слева от коллектора) с волновым сопротивлением ρК, включенные параллельно. Ток коллектора первого транзистора вызывает на этой нагрузке скачок напряжения, равный y21U1ρК/2 , кото-
179