2.4 Общие вопросы схемотехники электронных устройств

2.4.1. Виды связей между каскадами

Схемы межкаскадных связей в усилителях служат для передачи энергии: от ис­точника сигнала на вход усилителя; от предыдущего каскада к последующему; от оконечного каскада в нагрузку.

Схемы межкаскадных связей должны обладать минимальными или допусти­мыми частотными и фазовыми искажениями, а также минимальными потерями. Эти схемы одновременно могут служить для подачи напряжения от источника питания на электроды усилительных элементов, а также для придания опреде­ленных свойств усилительным каскадам или всему усилителю в целом.

Схемы межкаскадных связей входных и выходных цепей могут служить для перехода с симметричной цепи на несимметричную цепь и наоборот. Так, напри­мер, проводная линия связи является симметричной по отношению к земле це­пью, а усилитель является несимметричной цепью.

Получение симметричного напряжения также необходимо для возбуждения двухтактных каскадов, которые содержат два усилительных элемента, работаю­щих в противофазе на общую нагрузку.

На практике наиболее часто используются следующие виды межкаскадной связи: дроссельно-емкостная связь, трансформаторная связь, резисторно-емкостная связь и непосредственная. Название усилительного каскада определяется ис­пользованной в нем схемой межкаскадной связи, то есть цепью, которая соеди­няет выход одного усилительного элемента с входом другого.

ДРОССЕЛЬНО-ЕМКОСТНАЯ СВЯЗЬ

Рисунок 5.1 – Схема каскада с дроссельно-емкостной связью

Упрощенная схема такой связи показана на рисунке 5.1. В дроссельном каскаде в качестве сопротивления, включенного в выходную цепь усилительного элемента, ставят дроссель. Разделительный конденсатор Ср передает переменную составляющую на следующий каскад и не пропускает по­стоянную составляющую. Дроссельная связь может использоваться при по­ниженном напряжении источника питания вследствие малого сопротивления дросселя постоянному току.

Данный каскад имеет высокий КПД, а его коэф­фициент усиления немного выше, чем у резисторных каскадов. В настоящее время дроссельные каскады используют редко, так как они имеют неширокую по­лосу пропускания, большие габаритные размеры и вы­сокую стоимость.

ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СВЯЗЬ

В трансформаторных каскадах для связи каскадов между собой используют трансформатор, первичную обмотку которого включают в выходную цепь уси­лительного элемента, а вторичную — в цепь управ­ляющего электрода (рисунок 5.2).

Переменная составляющая выходного транзисто­ра, проходя через первичную обмотку, создает на ней падение напряжения сигнала, которое трансформи­руется во вторичную обмотку и подается на вход сле­дующего каскада. Достоинства трансформаторной связи: возмож­ность получения более высокого коэффициента уси­ления, чем при использовании резисторной связи; обеспечение симметрии выхода; согласование каскада с нагрузкой по сопротивлениям и шумам; возмож­ность работы при пониженном напряжении источника питания, так как падение напряжения постоянной со­ставляющей обусловлено только наличием активного сопротивления первичной обмотки трансформатора.		Рисунок 5.2 – Схема каскада с трансформаторной связью
Рисунок 5.2 – Схема каскада с трансформаторной связью	Недостатки трансформаторной связи: дороговиз­на и большие габаритные размеры каскадов, необходимость защиты от внешних магнитных полей, а также ухудшение частотно-фа­зовой характеристики, обусловленное реактивными составляющими трансфор­матора, как на низких, так и на высоких частотах. Трансформаторную связь используют в мощных усилительных каскадах при сравнительно неширокой полосе усили­ваемых частот и во входных и выходных цепях усилителей аппаратуры многока­нальной связи. В некоторых случаях применяют резисторно - трансформаторную связь, построенную по комбинированной схеме (рисунок 5.3).

Напряжение питания на усилительный элемент подается через резистор Rэ.

Связь между каскадами осуществляется через трансформатор, в первичную обмотку которого включен разделительный конденсатор С_Р2, не пропускающий постоянную составляющую.

В резисторно - трансформаторном каскаде через об­мотку трансформатора не протекает постоянная составляющая коллекторного тока, которая вызывает намагничивание трансформатора. Благодаря этому магнитопровод трансформатора может быть взят меньшего сечения.

Такой каскад позволяет получить подъем частотной характеристики на ниж­них частотах, что невозможно в резисторном или трансформаторном каскаде.

Данную схему широко используют при работе каскада с общим коллектором на симметричную нагрузку, так как при включении первичной обмотки трансфор­матора в эмиттерную цепь невозможно осуществить стабилизацию точки покоя из-за малого сопротивления первичной обмотки. Полоса усиливаемых частот, размеры, стоимость и масса — такого же порядка, как и у трансформаторного каскада, усиление же несколько меньше.

РЕЗИСТОРНО - ЕМКОСТНАЯ СВЯЗЬ

Резисторно - емкостную связь применяют в усилителях переменного тока (рисунок 5.4.). Напряжение усиливаемого сигнала переменного тока, которое выделяется на ре­зисторе Rк, передается на следующий каскад. Емкость конденсатора Ср выбирают таким образом, чтобы его сопротивление на нижней граничной частоте диапазона было неболь­шим — существенно меньше входного сопротивле­ния следующего каскада.

Рисунок 5.4 – Схема каскада с резисторо – емкостной связью

Достоинства схемы: малые габаритные размеры, масса и стоимость; достаточно хорошие частотно-фазовая и переходная характеристики; отсутствие влияния режимов работы каскадов по постоянно­му току, что особенно важно в ламповых каскадах, имеющих высокое положительное напряжение на аноде и отрицательное напряжение на сетке. Недостатки резисторно-емкостной связи: низ­кий КПД цепи; уменьшение усиления на низких частотах за счет увеличения сопротивления разде­лительного конденсатора; невозможность переда­чи медленно изменяющихся во времени сигналов; невозможность использования в усилителях постоянного тока. В ламповых каскадах или каскадах на полевых транзисторах при значительной импульсной помехе возможно запирание следующего усилитель­ного элемента за счет разряда конденсатора Ср на большое сопротивление затво­ра R3 следующего каскада, что ограничивает емкость Ср.

НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ СВЯЗЬ

Рассмотренные ранее цепи связи между каскадами не позволяют передавать мед­ленно изменяющиеся во времени сигналы и сигналы, содержащие постоянную cоставляющую. Поэтому в усилителях постоянного тока используют непосредственные (гальванические) связи между каскадами (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 – Схема каскада с непосредственной связью

Непосредственной связью называют такую связь, при которой соединение ме­жду каскадами осуществляется посредством элементов, обладающих проводимо­стью по постоянному току (резисторы, стабилитроны, гальванические элементы и т. д.). В этом случае выходной электрод усилительного элемента предыдущего каскада соединен непосредственно с управляющим электродом последующего. В случае применения непосредственной связи необходимо согласовывать боль­шой потенциал выходного электрода с низким потенциалом управляющего элек­трода усилительного элемента, то есть компенсировать постоянную составляю­щую выходного напряжения.

При применении непосредственной связи в транзисторных усилителях в эмиттерную цепь последующего транзистора включают резистор R_Э2, на котором со­здается падение напряжения U_RЭО2 от постоянной составляющей тока эмиттера I_ЭО2. Напряжение U_RЭО2 выбирают так, чтобы выполнялось условие U_RЭО2+U_КЭО2=U_БЭО1. Например, при U_кэо1 = 7 В и U_БЭО2 = 0,4 В падение напряжения U_RЭО2 должно со­ставлять 6,6 В, и при токе эмиттера второго транзистора I_ЭО2 = 2 мА получаем R_Э2= 3,3 кОм.

Рисунок 5.6 – Схема двухкаскадного усилителя с непосредственной связью Достоинство каскада с непосредственной связью: способность усиливать сиг­нал сколь угодно низкой частоты наряду с усилением средних и высоких частот. Непосредственная связь между каскадами позволяет изготавливать усилители по интегральной технологии, в которой использование других связей без приме­нения навесных элементов невозможно.

Недостатки усилителей с непосредственной связью: сложность обеспечения нормального режима работы каскадов по постоянному току с одним источником питания, а также произвольное изменение напряжения на выходе за счет изме­нения температуры, параметров усилительных элементов и т. д.

Взаимное влияние между каскадами по постоянному току заставило преду­сматривать в таких случаях специальные методы стабилизации режимов, напри­мер отрицательную обратную связь (ООС). На рисунке 5.6 представлен пример каскада с непосредственной связью и наличием обратных связей.

ВАРИАНТЫ ООС:

Параллельная ООС по постоянному напряжению.

Последовательная ООС по постоянному току.

Таким образом, можно дать следующую характеристику каскаду, приведенно­му на рисунке 5.6: двухкаскадный транзисторный усилитель напряжения с непосред­ственной связью, оба каскада собраны по схеме с общим эмиттером, последова­тельным коллекторным питанием и эмиттерной стабилизацией коллекторного тока.

Непосредственные связи получили широкое распространение в связи с их хо­рошими электрическими свойствами и возможностью использования при инте­гральной технологии.

ВЫВОДЫ:

1. Межкаскадные связи служат для передачи энергии сигнала от источника сиг­нала на вход усилителя и от предыдущего каскада к последующему.

2. Межкаскадные связи разделяются на резисторно-емкостную, трансформатор­ную, дроссельно-емкостную и непосредственную.

3. Наибольшее распространение получили резисторно-емкостная и непосредст­венная связи благодаря их простоте и хорошей частотно-фазовой характери­стике.

4. Резисторно-емкостную связь используют в усилителях переменного тока, не­посредственную — в усилителях медленно изменяющихся во времени сигна­лов и в усилителях, выполненных по интегральной технологии.

5. Трансформаторную связь используют во входных и выходных цепях усилителей для перехода с симметричного тракта на несимметричный и наоборот, а также для согласования входного и выходного сопротивлений усилителей с сопротивлением источника сигнала и нагрузкой. Трансформаторную связь можно также использовать в выходных каскадах усилителей звуковой частоты.

6. Для исключения взаимного влияния между каскадами по постоянному току в усилителях с непосредственными связями применяют ООС.