Каскады предварительного усиленияКаскады предварительного усиления усиливают слабые сигналы до уровня, необходимого для возбуждения выходного каскада. Они работают в режиме класса А, т. е. на линейном участке коллекторных характеристик транзистора. Усилители с реостатно-емкостной связью характеризуются простотой схемы, малым весом и габаритами, большой надежностью и хорошо стабилизируются по постоянному току. Они находят самое широкое применение. К недостаткам таких усилителей следует отнести отсутствие согласования между входом последующего каскада и выходом предыдущего. Схема с общим эмиттером используется чаще всего, поскольку она обеспечивает максимальное усиление. Сопротивление нагрузки каскада по переменному току задано (входное сопротивление последующего/каскада), поэтому максимум усиления по мощности является одновременно максимумом усиления по напряжению. Простейшие схемы каскадов с реостатно-емкостной связью представлены на рис. 3.8. Эти схемы целесообразно применять для усилителей, работающих в малом интервале температур (10 –20°С). Для усилителей, предназначенных для работы в более широком интервале температур, следует использовать стабилизацию режима транзисторов. Рис. 3.8. способы подачи смещения в цепь база – эмиттер.
Наибольшее применение находит схема, приведенная на рис. 3.9, а. Рис. 3.9. Эмиттерная стабилизация режимов транзистора
В двухкаскадных усилителях используются различные комбинации схем включения транзисторов. Если выходное сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки усилителя примерно равны между собой и их величины составляют несколько единиц или десятков килоомов, следует применять схемы каскадов с общим эмиттером; при малых сопротивлениях (меньше 100 ом) – схему с общим эмиттером или общей базой в первом каскаде и общим коллектором – во втором; при больших сопротивлениях (больше 100 ком) – схему с общим коллектором в первом каскаде и общим эмиттером во втором. Если сопротивление нагрузки усилителя значительно превышает сопротивление источника сигнала, следует использовать двухкаскадную схему с общим эмиттером. При сопротивлении нагрузки усилителя меньшем, чем выходное сопротивление источника сигнала, рекомендуется двухкаскадная схема с общим эмиттером или комбинация схемы с общим эмиттером в первом каскаде и общим коллектором во втором. Выбор режима транзисторов. Если напряжение источника питания не задано, то при его выборе необходимо учитывать следующее: при большем напряжении источника повышается коэффициент усиления каскада, поскольку имеется возможность увеличить сопротивление резистора в цепи коллектора, однако снижается к. п. д. каскада. При большем напряжении источника питания можно увеличить сопротивление резистора в цепи эмиттера, улучшив тем самым стабилизацию режима транзистора. По возможности следует выбирать напряжение источника питания в пределах 6 – 12 в. Выбирая режим транзистора, необходимо учитывать, что при уменьшении тока коллектора повышается к. п. д. каскада, но ухудшается температурная стабильность режима. Обычно из соображений экономичности для каскадов предварительного усиления ток коллектора выбирают в пределах 1–2 ма. Исключение составляют предвыходные каскады, у которых ток коллектора может быть несколько больше. При токе коллектора 1 – 2 ма напряжение смещения база – эмиттер должно составлять 0,1 –0,5 в. Напряжение на коллекторе выбирается равным примерно половине напряжения источника питания. При снижении напряжения на коллекторе уменьшается усиление каскада. Уменьшение этого напряжения (иногда ниже 2 – 3 в) целесообразно в первых каскадах усилителей, работающих от источников слабых сигналов, поскольку при этом резко снижается уровень шумов транзисторов. Выбор элементов каскада, собранного по схеме рис. 3.9, а, зависит от предъявляемых требований. Если необходимо обеспечить температурную стабильность режима, ориентировочный выбор элементов каскада производится следующим образом. Сопротивление в цепи коллектор-эмиттер определяется по формуле
где Е – напряжение питания, в; U k0– напряжение на коллекторе, в; I к0 –ток коллектора, ма. Эквивалентное сопротивление базового делителя Здесь h 11 – входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе. При больших значениях R б.э повышается входное сопротивление каскада, однако снижается коэффициент усиления (при условии, что коэффициент нестабильности остается неизменным). Иногда при больших R б.э не удается обеспечить заданную стабильность. Сопротивление резистора в цепи эмиттера
где S h – коэффициент нестабильности каскада. Обычно для радиолюбительских конструкций можно принимать S h равным 3 – 6. Сопротивление резистора в цепи коллектора R к = R к.э – R э. Сопротивления резисторов базового делителя Коэффициент усиления каскада по напряжению можно определить по формуле где y 21Э= h21 / h 11, y 22Э = h 22 – (h 12 h 21)/ h 11 – параметры транзистора (выбираются по справочникам), у н–проводимость нагрузки каскада. Если нагрузкой является следующий каскад, то Здесь R вх2 – входное сопротивление последующего каскада. Входное сопротивление данного каскада Выходное сопротивление каскада можно принять равным сопротивлению резистора в цепи коллектора R k. Принимая допустимое снижение усиления каскада за счет разделительного конденсатора С р на низшей частоте f н равным 10%, можно определить емкость этого конденсатора по формуле где R bx– входное сопротивление последующего каскада, ом; R k– сопротивление резистора в цепи коллектора, ом. Принимая допустимое снижение усиления на низшей частоте за счет конденсатора в цепи эмиттера равным 30%, определяют емкость конденсатора , Здесь fн – низшая частота, гц; Rэ – сопротивление резистора в цепи эмиттера, ом. Если выбрать большее значение емкости, частотные искажения уменьшатся. Высшая частота рабочего диапазона определяется частотными свойствами транзистора. Для транзисторов П13 – П15 и П8 – П11 она обычно достигает нескольких десятков килогерц. Пример. Выбрать элементы термостабильного каскада на транзисторе типа П15. Рабочий диапазон частот – 100 –7000 гц. Напряжение питания – 9 в. Сопротивление нагрузки каскада – 500 ом. Принимаем Iк0 = 2 ма;Uк0 = 4 в; Sн = 3. Параметры транзистора: у11э = 1000 мксим; у21э = 30 000 мксим; у22э = 25 мксим. . . Принимаем Rб.э = 10 ком
Следовательно, при выбранных значениях Sн и Rб.э нельзя выполнить заданных требований. Если принять Rб.э = 3 ком, то Rэ = 1,5 ком и Rк = 1,5 ком. Можно снизить требования в отношении температурной стабильности, приняв Sн = 6. Тогда при Rб.э = 10 ком получим: Rэ = 2 ком и Rк = 0,5 ком. В этом варианте входное сопротивление каскада будет больше. Итак, принимаем Sн = 6, Rб.э = 10 ком. Далее определяем
Если принять Sh = 5 и Rб.э = 5 ком, коэффициент усиления возрастет до 10, а входное сопротивление уменьшится до0,8 ком. Для повышения температурной стабильности каскадов можно использовать терморезисторы. Последние обычно включают параллельно резистору Rб.2 (рис. 3.9, а). В этом случае коэффициент нестабильности Sh может быть меньше единицы и даже отрицательным. При использовании терморезисторов можно увеличить эквивалентное сопротивление базового делителя Rб.э и сопротивление резистора Ra, благодаря чему повышается к. п. д., входное сопротивление и усиление каскада. Вместо терморезисторов можно использовать обратно смещенный полупроводниковый диод. Усилители с трансформаторной связью применяются в предоконечных каскадах. Основным достоинством таких усилителей является возможность обеспечить согласование низкого входного сопротивления последующего каскада с высоким выходным сопротивлением транзистора, чем достигается получение максимального усиления по мощности. Недостатком усилителей с трансформаторной связью является увеличение размеров и веса усилителя за счет трансформатора. Предоконечные каскады с трансформаторной связью собираются по такой же схеме, как и выходные однотактные каскады. Величины сопротивлений и емкостей определяются так же, как и для усилителей с емкостной связью. Усилители с непосредственной связью содержат меньше деталей, легко настраиваются, не нуждаются в подборе транзисторов и мало чувствительны к изменению напряжения питания. Они отличаются лучшей частотной характеристикой и малыми нелинейными искажениями. В усилителях с непосредственной связью легко добиться высокой температурной стабильности. Перечисленные выше преимущества усилителей с непосредственной связью могут быть реализованы лишь при введении глубокой отрицательной обратной связи по постоянному току, подаваемой с выхода усилителя на первый каскад. Температурная стабильность тем выше, чем больше общее усиление и чем глубже обратная связь по постоянному току. На рис. 3.10, а приведена схема с двумя обратными связями с выхода на вход. Стабилизация производится передачей напряжения с резистора R6 на базу первого транзистора и изменением напряжения эмиттера первого каскада в зависимости от величины тока, протекающего
Рис. 3.10. Схемы усилительных каскадов с непосредственной связью: а – с двумя обратными связями; б – странзисторами различной проводимости. через резистор R5. В этом усилителе режим устанавливается резистором R6 в или R2. Поскольку R3 не зашунтирован конденсатором, в усилителе действует отрицательная обратная связь по переменному току, резко уменьшающая искажения. В схеме, приведенной на рис, 3.10, б, использованы транзисторы с различной проводимостью. Режим усилителя устанавливается подбором сопротивления резистора R2.
|