Трансформаторный каскад

Резисторный каскад на полевом транзисторе (схема с общим истоком)

Резисторный каскад на биполярном транзисторе (схема с общим эмиттером)

Резисторный каскад ОЭ обычно является частью многокаскадного усилителя. На передачу сигнала таким каскадом влияют элемен­ты межкаскадной связи и входной цепи следующего каскада. Полная электрическая схема резисторного каскада на биполярном транзисторе приведена на рисунке 1.28.

Рисунок 1.28 – Полная принципиальная схема резисторного каскада на

биполярному транзисторе

Назначение элементов данной схемы следующее: VT-биполярный транзистор - усилительный элемент; R_к - резистор коллекторной нагрузки;

R₁,R₂- образуют делитель для по дачи на базу транзистора VT₁ напряжения смещения, обеспечивающего исходный режим, т.е. для смещения рабочей точки покоя А в заданный участок характеристики;

R_1сл.,R_2сл-образуют делитель для подачи на базу транзистора VT₂ напряжения смещения и являются нагрузкой усилительного каскада собранного на транзисторе VT₁;

C₁, C₂-разделительные конденсаторы (являются элементами меж­каскадных связей, предотвращают проникновение постоян­ной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиле­ния на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);

R_э, R_э.сл.- резисторы обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя каскада.;

С_э, С_э.сл- конденсатор шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая отрицательную обратную связь по I току. Отсутствие конденсатора С_э вызывает уменьшение коэф­фициента усиления вследствие наличия отрицательной обрат­ной связи.Уменьшает сопротивление переменному току в цепи эмиттера. Может использоваться для частотной коррек­ции.; С_ф1, R_ф1,С_ф2, R_ф2 - развязывающие фильтры предназначены для уменьшения

паразитной связи в цепи электропитания коллекторов тран­зисторов. Если не применять развязывающие фильтры, то кол­лекторы транзисторов VT_l и VT₂ будут подключены к источ­нику электропитания параллельно и они окажутся связанными между собой через внутреннее сопротивление источника электропитания. Такая связь является паразитной и может привести к ухудшению показателей усилителя;

Е - источник электропитания.

Принцип действия резисторного каскада основан на свойствах схемы с общим эмиттером.

Постоянная составляющая тока коллектора протекает от положи­тельного полюса источника электропитания +Е, общий провод, через R_э, эмиттерный и коллекторный переходы VT₁ и R_k, резистор филь­тра R_ф2 к отрицательному полюсу источника -Е

(рассматриваются цепи электропитания применительно к транзистору р-п-р).

+Е→ ┴ → R_э → (э-б-к)VT₁ → R_к→R_ф2→-Е.

При подаче сигнала на вход в коллекторной цепи появляется переменная составляющая тока. В схеме ОЭ отрицательной полуволне сигнала на базе соответствует положительная полуволна усиленного сигнала на коллекторе (знаки в скобках). Переменная составляющая тока в этот полупериод проходит от коллектора по внешней цепи к эмиттеру (волнистые стрелки на схеме). Для переменного тока коллекторная цепь представляет ряд параллельных ветвей.

1) коллектор (+)VT₁→C₂—>база-эмитгер VT₂ —>С_э.сл—>общий
провод— >С_э— эмиттер (-)VT_l;

2) коллектор (+)VT₁—>R_к—>С_ф2→ общий провод —>С_э—эмиттер
(-)VT_l;

3) коллектор (+)VТ₁→С₂→R_2сл→общий провод —>С_э—”эмиттер
(-)VTl;

4) коллектор (+)VТ₁→С₂→R_1сл—>С_ф2—>общий провод — >С_э —> эмиттер(-)VТ₁.

. Таким образом, общим сопротивлением нагрузки для переменного тока R_k~ является эквивалентное сопротивление параллельно вклю­ченных R_к,R_1сл,R_2сл и R_вx.сл. Полезной является только составляющей выходного переменного тока Iвых = Iб.сл, протекающая по первой из названных ветвей.

Эквивалентная электрическая схема резисторного каскада для переменной составляющей тока коллектора (рисунок 1.29) может быть составлена, если транзистор заменить схемой замещения его выходной цепи и подключить к ней все элементы, нагружающие транзистор по переменному току.

При этом следует пренебречь сопротивлением источника электро­питания для переменного тока, а также сопротивлением параллельно включенных R₃ и С_э, так как при больших ёмкостей конденсаторов С_ф и С_э можно считать При этом следует пренебречь сопротивлением источника электро­питания для переменного тока, а также сопротивлением параллельно включенных R₃ и С_э, так как при больших ёмкостей конденсаторов С_ф и С_э можно считать обкладки замкнуты накоротко для частот сиг­нала.

Объединить все включенные параллельно после С_с активные соп­ротивления в одно эквивалентное входное сопротивление следующе­го каскада R_вх2:

R_вх2 = 1 / (1/R_1сл+1/R_2сл+1/R_вх.сл), (1.43)

во вторых, заменить ёмкости С_м и С_вх.сл, а также С_к, подклю­ченную у ним через очень малое сопротивление ёмкости С₂, суммарной эквивалентной входной ёмкостью следующего каскада С_о:

С_о = С_вх.сл +С_м +С_к. (1.44)

Со стороны выхода транзистор может быть представлен эквива­лентным генератором, ЭДС которого равна К_хх·U_вых, а внутреннее сопротивление равно R_вых транзистора при включении ОЭ. В эквивалентной схеме, приведенной на рисунке 1.29 имеются частотно-зависимые элементы С₂ и С_о. Это означает, что при посто­янной амплитуде напряжения на входе, напряжение на выходе U_вых зависит от частоты входного напряжения, т.е. коэффициент усиления каскада зависит от частоты. При уменьшении частоты сигнала сопротивление конденсатора С₂ увеличивается, падение напряжения на нем возрастает, в результате напряжение на выходе U_вых уменьшается. Поэтому с понижением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

Рисунок 1.29 - Упрощенная эквивалентная схема резисторного каскада

На высоких частотах проявляются шунтирующие действие ёмкос­ти C_o. С повышением частоты входного сигнала сопротивление ёмкости уменьшается, а следовательно, и падение напряжения сигнала на ней уменьшается. Поэтому с повышением частоты коэффициент уси­ления каскада уменьшается.

В области средних частот потери напряжения на конденсаторе С₂ невелики.

Для того чтобы коэффициент усиления резисторного каскада в рабочем диапазоне частот оставался постоянным, ёмкость раздели­тельного конденсатора С₂ выбирают по возможности большей, а па­разитную ёмкость монтажа С_о стремятся уменьшить.

Рисунок 1.30 - Характеристики амплитудно –частотная (а) и фазо-частотная (б) резисторного каскада

Все резисторные каскады, независимо от типа используемых в них транзисторов, имеют одинаковый вид частотных и фазовых харак­теристик. Все различие в характеристиках этих каскадов носят только количественный характер.

Полевой транзистор, имеющий, как и биполярный транзистор,
три внешних вывода, может быть включен в усилительную схему по
трём различным схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком
(ОС) и общим затвором (ОЗ). Наиболее широкое применение на
практике нашла схема с ОИ (рисунок 1.31), аналогичная варианту с
ОЭ биполярного транзистора.

Рисунок 1.31- Резисторный каскад на полевом транзисторе (схема с общим истоком

Данная схема содержит элементы, которые обеспечивают как его нормальную работу в выбранном режиме, так и передачу

уси­ленного сигнала на вход последующего каскада. Назначение элементов схемы:

VT- полевой транзистор с управляющим р-п - переходом и каналом п-типа;

R_c — нагрузка по постоянному току;

R_и - обеспечивает работу транзистора в выбранном режиме по посто­янному току, обеспечивает автоматическое смещение, которое задаёт режим покоя

класса А путём подачи напряжения смеще­ния до затвора VT через резистор R₁. Одновременно цепь авто­матического смещения обеспечивает температурную стабилиза­цию режима покоя.

Ток I_ос в выходной (стоковой) цепи устанавливается с помощью источника питания Е и начального напряжения смещения на затворе U_оз отрицательной полярности относительно истока (для полевого транзистора с каналом р- типа – положительной полярности). В свою очередь напряжение U_оз обеспечивается за счет тока I_ос проходящего через резистор R_и в цепи истока, т.е.

U_оз = I_оз ·R_и, (1.45)

Которое через резистор R₁ прикладывается с полярностью, указанной на рисунке 1.33. Изменяя сопротивление R_и можно изменять напряжение U_оз и ток стока I_ос.

С_и- конденсатор, который шунтирует резистор R_и, чтобы на этом резисторе на выделялось напряжение за счёт переменной сос­тавляющей тока стока (это привело бы к наличию отрицательной обратной связи аналогично тому, как это имело место в усили­теле на биполярном транзисторе за счёт сопротивления в цепи эмиттера Rэ).

С₁,С₂ - разделительные конденсаторы.

R₁ - резистор обеспечивает цепь для протекания тока затвора, и поэтому его наличие в схеме обязательно для нормальной работы транзистора. Ток затвора, хотя он и очень мал, созда­ёт на резисторе R1 падение напряжения.

Коэффициент усиления усилительных каскадов на полевых транзисторах в области средних частот определяется равенством

K_u=-S·R_c, (1.46)

где S- статическая крутизна характеристики полевого транзистора.

Знак минус указывает на то, что усилительный каскад ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 180° (как в усилительном кас­каде ОЭ). Поэтому при воздействии на вход усилителя переменного входного сигнала U_вx=^:U₃=U_3msinwt напряжение выходного сигнала.

u_вых = - S_о R_с U_3msinwt. (1.47)

где S_о - крутизна характеристики в рабочей точке (I_ос,U_ос).

Усилители на полевых транзисторах благодаря большому входному сопротивлению (несколько мегаОм) широко применяют в качестве входных каскадов различных электронных устройств, ис­точник входного сигнала которых обладает большим внутренним сопротивление

Трансформаторным называется каскад, имеющий в выходной
цепи трансформатор для связи со следующим каскадом или с внешней нагрузкой.

Трансформатор по сравнению с резистором имеет ряд недостат­ков: большие габаритные размеры и масса, чувствительность к на­водкам от внешних магнитных полей, внесение частотных, фазовых и нелинейных искажений.

Однако в ряде случаев трансформатор необходим, например для согласования выходного сопротивления предыдущего каскада с в входным сопротивлением последующего, для перехода от однотактной схемы к двухтактной или для повышения напряжения малого входного сигнала относительно напряжения собственного шума первого транзистора.

Принципиальная схема промежуточного трансформаторного кас­када приведена на рисунке 1.32. Обычно транзистор в этих каскадах включается с общим эмиттером. Пунктиром показаны элементы, не относящиеся к схеме рассчитываемого трансформаторного каскада. Нагрузкой является входное сопротивление следующего каскада:

R_н = R_вх.сл.

Трансформатор позволяет подать смещение на базу следующего транзистора VT₂ последовательно с входным сигналом, поэтому де­литель смещения не шунтирует вход VT₂ и выход каскада на VT₁.

Постоянная составляющая тока коллектора I_ко протекает от +Е_к через R_э, транзистор VT₁ и первичную обмотку трансформатора к --Е_к, создавая постоянное подмагничевание сердечника трансформатора. Это недостаток схемы, так как во избежание насыщения сердеч­ника и увеличения нелинейных искажений приходится увеличивать размеры сердечника и габариты всего трансформатора.

Постоянная составляющая тока не создает заметного падения напряжения на малом активном сопротивлении первичной обмотки, поэтому коллекторное напряжение можно считать равным напряже­нию источника электропитания:

U_ко ≈ Е_к.

Переменная составляющая тока создает в сердечнике перемен­ный магнитный поток с частотой сигнала и во вторичной цепи

индуктируется выходное напряжение.

Рисунок 1.32- Принципиальная схема трансформаторного каскада

предварительного усиления

Для составления эквивалентной схемы каскада (рисунок 1.32) следует заменить транзистор VT₁ эквивалентным генератором с ЭДС Е_г и внутренним сопротивлением R_r, как это делалось для резисторного каскада, а трансформатор заменить его эквивалентной схемой. Влияние входной цепи следующего транзистора, нагружающий тран­сформатор, учитываются включением R_н = R_вх.сл. Если трансформа­тор является межкаскадным, то в эквивалентной схеме Е_г=К_хх·U_вх и R_г=R_вых, а при входном трансформаторе Е_г=Е_ис и R_г=R_ис - дан­ные источника сигнала.

Параметры трансформатора являются: L₁ -индуктивность пер­вичной обмотки, r₁ и r₂- активные сопротивления первичной и вто­ричной обмоток, L_si и L_s2 - индуктивность рассеивания первичной и вторичной обмоток, С_тр - межвитковая ёмкость трансформатора, Со- общая ёмкость нагрузки или входной цепи следующего каскада, при условии, если пренебречь малыми потерями в сердечнике, п- коэффициент трансформации, равный отношению числа витков вторич­ной обмотки к числу первичной, См- монтажная ёмкость.

Емкость

С_о = С_тр + С_м + С_{вх. сл}; С'_о=С_о·п²,

r'₂=r₂/n, R_вх.сл = R_вх.сл /n, L'_s2=L_s2/n, Ls=L_S1+L'_S2

Амплитудно-частотная характеристика трансформаторного кас­када представлена на рисунке 1.33. В области нижних частот харак­теристики трансформаторного каскада - АЧХ - определяют влиянием индуктивности первичной обмотки трансформатора L₁. С понижени­ем частоты сигнала сопротивление X_L=wL уменьшается. При этом ток от источника сигнала

возрастает, потери напряжения на R_иct и r₁ увеличиваются и выходное напряжение уменьшается. В результате АЧХ в области нижних частот имеет “завал”. Причём, “завал” будет тем больше, чем меньше L₁,тем меньше её сопротивление и тем больше она шунтирует R_экв.н., которое можно быть вычислено, как параллельное включенные (R_г+r₁) и (r'₂+R'_вх.сл).

Для уменьшения спада частотной характеристики следует увеличивать постоянную времени нижних частот, а для этого надо увеличивать индуктивность первичной обмотки L₁ за счёт увеличения числа витков.

Рисунок 1.33-Упрощенная эквивалентная схема трансформатор­ного каскада

В области высоких частот влиянием L₁ можно пренебречь, так как её сопротивление ещё больше, чем на средних частотах. Вместе с тем с повышением частоты увеличивается сопротивление w·L_s и паде­ние напряжения на индуктивности рассеивания, а сопротивление X_c = l / (w·C'_o) уменьшается и растёт потребляемый ёмкостью С'_о ток. Поэтому в области верхних частот сказывается влияние двух реак­тивных элементов: L_s и С'_о (рисунок 1.33).

Оба они создают спад частотной характеристики, так как с рос­том потерь напряжения L_s выходной сигнал уменьшается и с возрас­танием тока через С'_о он также уменьшается за счёт увеличения потерь на внутреннем сопротивлении генератора.

Практически с повышением частоты L_s и С'_о начинают действовать не одновременно. Если следующий каскад построен на мощном транзисторе с общим эмиттером, то раньше сказывается влияние его входной ёмкости. Поэтому характеристика сначала имеет менее крутой спад, а когда начинает влиять индуктивность рассеяния, крутизна спада увеличивается. На определённой частоте f _рез. наступа­ет резонанс напряжений между L_s и С'_о, который называется ре­зонансом рассеивания трансформатора.

Рисунок 1.34 - Частотная характеристика трансформаторного

каскада предварительного каскада

Резонансный выброс отсутствует при малом входном сопротивле­нии следующего каскада, шунтирующем ёмкость С_о.

Для уменьшения частотных искажений и повышения частоты ре­зонанса рассеивания следует уменьшать индуктивность рассеивания L_s. Это достигается секционированием обмоток и поочередным рас­положением на катушке секций первичной и вторичной обмоток.

Дата добавления: 2014-01-07