СПРАВОЧНИК МОЛОДОГО РАДИСТА
Каскады предварительного усиления
Общие сведения. Предварительный усилитель усиливает колебания напряжения или тока источника сигнала до значений, которые необходимо подать на вход оконечного каскада для получения в нагрузке заданной мощности. Предварительный усилитель может быть одно- и многокаскадным. Транзисторы в каскадах предварительного усиления включают с ОЭ, а лампы — с общим катодом, что позволяет получить наибольшее усиление. Включение транзистора с ОБ целесообразно во входных каскадах, работающих от источника сигнала с малым внутренним сопротивлением. Для уменьшения нелинейных искажений в каскадах предварительного усиления предпочтителен режим А. По виду связи между каскадами (при многокаскадном выполнении усилителей) различают усилители с емкостной, трансформаторной и гальванической связью (усилители постоянного тока).
Рис. 92. Транзисторная (а) и ламповая (б) схемы усилителя
Усилители с емкостной связью. Усилители с емкостной или ЯС-бвязью имеют широкое применение.. Они просты в конструкции и наладке, дешевы, обладают стабильными характеристиками, надежны в работе, имеют небольшие размеры и массу. Типовые схемы усилителя на транзисторах и лампах с емкостной связью показаны на рис. 92, а, б.
Режим транзистора в схеме задается напряжением источника Ек и смещением с делителя R1R2; резистор R31 совместно с делителем смещения R1R2 осуществляют температурную стабилизацию режима; конденсатор СЭ1 исключает отрицательную обратную связь по переменной составляющей тока. Напряжение сигнала Uах, подлежащее усилению, подводится к цепи базы VI через конденсатор Срь разделяющий по постоянному току источник сигнала и цепь базы первого каскада усилителя. Между коллектором первого VI и базой второго V2 транзисторов включен разделительный конденсатор СР2, который не пропускает относительно высокий потенциал с коллектора VI на базу V2.
Коэффициент усиления каскада зависит от параметров усилительного элемента (транзистора, лампы), выходного сопротивления исследуемого каскада, входного сопротивления следующего каска-- да, а также от частоты, поскольку от нее зависят проводимость и коэффициент передачи транзистора.
Рис. 93. Частотная характеристика резисторного каскада
Частотная характеристика резисторного каскада с емкостной связью (рис. 93) может быть разделена на три области частот: нижних НЧ, средних СЧ и верхних ВЧ. В области нижних частот коэффициент усиления Kн снижается (с уменьшением частоты) в основном из-за увеличения сопротивления конденсатора межкаскадной связи Ср1. Емкость этого конденсатора выбирают достаточно большой, что снизит падение напряжения на нем. Обычно низкочастотный диапазон ограничивается частотой fH, на которой коэффициент усиления снижается до 0,7 среднечастотного значения, т. е. Kн=0,7K0. В области средних частот, составляющих основную часть рабочего диапазона усилителя, коэффициент усиления Kо практически не зависит от частоты. В области верхних частот fB снижение усиления Kв обусловлено емкостью Со=/=Свых+См+Свх (где Свых — емкость усилительного элемента каскада; См — емкость монтажа, Свх — емкость усилительного элемента следующего каскада) . Эту емкость всегда стремятся свести к минимуму, чтобы ограничить через нее ток сигнала и обеспечить большой коэффициент усиления.
Расчет резисторного каскада предварительного усиления. Исходные данные: полоса усиливаемых частот fн-fв = 100-4000 Гц, коэффициент частотных искажений MH<l,06; напряжение питания £К=10 В. Каскад должен обеспечить амплитуду входного тока следующего каскада Iвх.тсл=12 мА при его входном сопротивлении
Rвх.сл=10 Ом.
1. Выбор типа транзистора. Ток коллектора каскада, при котором обеспечивается амплитуда входного тока следующего каскада Iвх.тсл, Iк= (1,25ч- 1,5)IЕх.отсл = .(1,25-7-1,5) 12= 15-5-18 мА. Примем Iк=15 мА. По току Iк и граничной частоте, которая должна быть fашга>3fв|Зср = 3fв(Рмин + Рмакс)/2 = 3-4000(30 + 60)/2 =
=540000 Гц=0,54 МГц, выбираем для каскада транзистор МП41 со следующими параметрами: Iк=40 мА; UКэ=15 В; |3мин = 30; рмакс=60;fамин = 1МГц.
2. Определение сопротивлений резисторов RK и Ra. Эти сопротивления определяют, исходя из падения напряжения на них.
При мем падение напряжения на резисторах R* и Rэ соответственно 0,4 Ек и 0,2 Ек, тогда:
Выбираем резисторы МЛТ-0,25 270 Ом и МЛТ-0,25 130 Ом.
3. Напряжение между эмиттером и коллектором транзистора в рабочей точке икэо=Ек — !K(RK+Ra) = lQ — 15-10-3(270+130)=4 В. При Uкэо=4 В и Iк=15 мА по статическим выходным характеристи-
кам (рис. 94, а), определяем ток базы Iбо=200 мкА в рабочей точке О'. По входной статической характеристике транзистора (рис. 94, б) икэ=5 В для Iбо=200 мкА определяем напряжение смещения в рабочей точке О/Uбэо=0,22 В.
4. Для определения входного сопротивления транзистора в точке О' проводим касательную к входной характеристике транзистора. Входное сопротивление определяется тангенсом угла наклона касательной
Рис. 94. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора
5. Определение-делителя, напряжения смещения. Сопротивление резистора R2 делителя принимают R2=(5-15)Rвх.э. Примем R2=6Rвх.э=6-270 =1620 Ом. Выбираем по ГОСТу резистор МЛТ-0,25 1,8 кОм. Ток делителя в каскадах предварительного усиления принимают Iд=(3-10)Iбо=(З-10) -200=600-2000 мкА. Примем Iд=2 мА.
Сопротивление резистора R1 делителя
Выбираем по ГОСТу резистор МЛТ-0,25 3,9 кОм.
6. Расчет емкостей. Емкость конденсатора межкаскадной связи определяют, исходя из допустимых частотных искажений Ms, вносимых на низшей рабочей частоте
Примем электролитический конденсатор емко,стью 18 мкФ с к = 10 В. Емкость конденсатора
Примем электролитический конденсатор емкостью 47 мкФ с Uраб>ДURЭ=0,2 Eк=0,2-10=2 В.
Усилители с трансформаторной связью. Каскады предваритель-ного усиления с трансформаторной связью обеспечивают лучшее-согласование усилительных каскадов по сравнению с каскадами с резисторной емкостной связью и применяются в качестве инверсных для подачи сигнала на двухтактный выходной каскад. Нередко трансформатор используют в качестве входного устройства.
Рис. 95. Усилитель с включением транзистора:
а — последовательным, б — параллельным
Схемы усилительных каскадов с последовательным и параллельным включением трансформатора показаны на рис. 95, а, б. Схе« ма с последовательно включенным трансформатором не содержит резистора RK в коллекторной цепи, поэтому обладает более высоким выходным сопротивлением каскада, равным выходному сопротивлению транзистора, и применяется чаще. В схеме с параллельно включенным трансформатором требуется переходной конденсатор С. Недостатком этой схемы являются дополнительные потери мощности сигнала в резисторе RK и снижение выходного сопротивления вследствие шунтирующего действия этого резистора.
Нагрузкой трансформаторного каскада обычно служит относительно низкое входное сопротивление последующего каскада. В этом случае для межкаскадной связи используют понижающие транс* форматоры с коэффициентом трансформации n2=*RB/R'H <T, где RН — сопротивление нагрузки в коллекторной цепи, приведенное к первичной обмотке. Поскольку в понижающем трансформаторе ток во вторичной обмотке в n раз больше, чем в первичной (I2/I1=n или I2=nI1), схема с трансформаторной связью позволяет получить дополнительный выигрыш в усилении по току по сравнению с усилительными каскадами с емкостной связью.
Рис. 96. Частотная характеристика усилителя
Частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью (рис. 96) имеет снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот. В области нижних частот спад коэффициента усиления каскада объясняется уменьшением индуктивного сопротивления обмоток трансформатора, вследствие чего возрастает их шунтирующее де.йствие входной и выходной цепей каскада и снижается коэффициент усиления К=Kо/[1 + 1/(wнтн)]. На средних частотах влиянием реактивных элементов можно пренебречь. В области верхних частот на коэффициент усиления влияют емкость коллекторного перехода Ск и индуктивность рассеивания ls обмоток трансформатора. На некоторой частоте емкость Ск и индуктивность Is могут вызвать резонанс напряжения, вследствие чего на этой частоте возможен подъем частотной характеристики.Иногда этим пользуются для коррекции частотной характеристики усилителя.
