II.5. Типы усилительных каскадов

Несимметричные (однотактные) каскады.

Схемы усилительных каскадов, содержащие один или несколько параллельно включённых УЭ, на вход которых подают одно входное напряжение сигнала, и с выхода которых снимают одно выходное напряжение, называют однотактными каскадами.

Транзистор и электронная лампа – трёхполюсные устройства, у которых один из проводов входной цепи объединён с проводом выходной цепи в так называемый общий провод. Потенциал сигнала на общем проводе относительно «земли» (поверхности нулевого потенциала) считают равным нулю, так как этот провод обычно соединяют с шасси (металлическим корпусом) прибора, имеющим относительно земли большую электрическую ёмкость. Поэтому входная и выходная цепи однотактных усилительных каскадов несимметричны относительно поверхности нулевого потенциала, т.е. однотактные каскады имеют несимметричные вход и выход.

Если необходимо сделать вход однотактного каскада симметричным, можно включить во входную цепьсимметрирующий трансформатор с первичной обмоткой, имеющей две одинаковые половины (рис.2.15а), точка соединения которых не имеет потенциала сигнала относительно общего провода.

а) б)

Рис.2.15. Симметрирование цепей:

а) симметрирование входной цепи трансформатором;

б) симметрирование выходной цепи трансформатором.

Этого можно добиться, соединив её с общим проводом. Точно так же можно сделать симметричным выход однотактного каскада, включив в его выходную цепь трансформатор с симметричной вторичной обмоткой (рис.2.15б). Однако симметрирование цепей трансформатором из-за сравнительно узкой полосы пропускаемых им частот невозможно в широкополосном усилителе.

Симметричные (двухтактные) каскады.

Каскады, содержащие два УЭ или две группы параллельно включённых УЭ, работающих на общую нагрузку, называются двухтактными каскадами.

Токи сигнала в выходной цепи двухтактного каскада имеют противоположное направление, т.е. при синусоидальном сигнале токи сдвинуты на 180°.

Простейшие двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада, работающих в противофазе. Объединяют эти два каскада общий провод и единый источник питания. Эти однотактные каскады образуют плечи двухтактной схемы, симметричные относительно общего провода (рис.2.16а, б).

а)

б)

Рис. 2.16. Двухтактные каскады:

а) резисторный с транзисторами в режиме А с общим эмиттером

и эмиттерной стабилизацией;

б) трансформаторный с транзисторами в режиме В с общей базой

и смещением фиксированным напряжением.

Такие двухтактные каскады при использовании в них гальванической или резисторной связи позволяют осуществить малогабаритные и недорогие схемы с симметричным входом и выходом, имеющие очень широкую полосу рабочих частот. Наличие одинаковых деталей в плечах двухтактной схемы позволяет многие из них объединить, а некоторые даже исключить. Кроме симметричности входа и выхода, двухтактные каскады обладают другими полезными качествами; в них компенсируются:

1. Чётные гармоники, вносимые усилительными элементами;

2. Помехи (в том числе и фон), поступающие на каскад от источника питания и других источников помех;

3. Нечётные гармоники тока сигнала в источнике питания и идущих от него к каскаду проводах;

4. Постоянное подмагничивание сердечника выходного трансформатора.

Эти преимущества настолько существенны для мощных усилителей, что, несмотря на применение двух усилительных элементов и усложнение схемы, транзисторные каскады мощного усиления с выходной мощностью более 2 ¸ 3 Вт почти всегда делают двухтактными.

Двухтактные схемы также применяют в каскадах мощного усиления широкополосных усилителей и в широкополосных выходных каскадах, работающих на симметричную нагрузку, когда использование трансформаторов невозможно из-за их ограниченной полосы пропускания.

Так как выходное напряжение двухтактного каскада представляет собой разность выходных напряжений его плечей, всевозможные наводки на цепи схемы, а также фон и помехи от источников питания, попадая синфазно в оба плеча, компенсируются.

На практике все двухтактные схемы никогда не обладают идеальной симметрией (разброс параметров УЭ, радиокомпонентов, и др.). Поэтому чётные гармоники, фон и помехи в двухтактных схемах не уничтожаются, а лишь уменьшаются. Простейшие меры обеспечения симметрии плечей, фон, наводки и чётные гармоники в выходной цепи двухтактной схемы снижаются в 3 ¸ 5 раз, а при специальном симметрировании плечей – в 10 ¸ 20 раз по сравнению с однотактной схемой.

Инверсные каскады.

Двухтактные схемы требуют подачи на вход двух одинаковых по величине напряжений сигнала противоположной полярности, т.е. симметричного напряжения. С другой стороны, однотактные схемы имеют несимметричное выходное напряжение, так как у них одним из выходных проводов является провод нулевого потенциала (общий провод). Поэтому для передачи сигнала от однотактных схем к двухтактным применяют специальные каскады, имеющие несимметричный вход и симметричный выход и называемые инверсными каскадами. Инверсные каскады также используют в качестве выходных каскадов в усилителях, работающих на симметричную нагрузку. Простейшим способом передачи сигнала с выхода однотактного каскада на вход двухтактного является включение между ними трансформатора с симметричной вторичной обмоткой. Однако в микроэлектронной схемотехнике трансформаторы практически не применяются. Поэтому в современной усилительной технике применяют бестрансформаторные инверсные каскады. Чаще всего применяются каскады с разделённой нагрузкой (рис.2.17).

Рис. 2.17. Инверсный каскад с разделённой нагрузкой.

В этом каскаде нагрузка разделена на две части,включаемые в цепи коллектора и эмиттера. При равенстве токов сигнала в коллекторной и эмиттерной цепях и равенстве сопротивлений нагрузки R_К и R_Э напряжение на резисторах нагрузки будет одинаковым. Подключив через разделительные конденсаторы С₂ и С₃ (рис.2.18) симметричную нагрузку, получим на ней симметричное относительно общего провода выходное напряжение, складывающееся из двух одинаковых по величине и противоположных по знаку напряжений U_ВЫХ.1 и U_ВЫХ.2.

Рис.2.18. Получение симметричных сигналов в каскаде с разделённой

нагрузкой.

Достоинства инверсного каскада с разделённой нагрузкой:

· Использование лишь одного усилительного элемента;

· Очень хорошие частотная, фазовая и переходная характеристики на верхних частотах из-за глубокой отрицательной обратной связи;

· Малый коэффициент гармоник.

Недостатки инверсного каскада с разделённой нагрузкой:

· Отсутствие усиления напряжения сигнала, так как нижнее плечо схемы представляет собой эмиттерный повторитель;

· Вдвое меньшее максимальное выходное напряжение по сравнению с обычным резистивным каскадом, так как развиваемое транзистором напряжение сигнала здесь делится пополам.

· Большое различие выходных сопротивлений плечей схемы.

Инверсный каскад с разделённой нагрузкой применяют в широкополосных усилителях гармонических и импульсных сигналов, а также в усилителях звуковых частот как переходный каскад между однотактной и двухтактной схемами.

В транзисторном инверсном каскаде с разделённой нагрузкой в нижнее плечо, имеющее очень низкое выходное сопротивление, иногда включают последовательно добавочное сопротивление R_Д для выравнивания выходных сопротивлений плечей (рис.2.17), так как их неравенство при работе каскада на нелинейную нагрузку может сильно увеличить нелинейные искажения. При наличии резистора R_Д для получения симметричного входного напряжения на транзисторах оконечного каскада сопротивление резистора R_Э берут больше R_К.

Существуют и другие схемы инверсных каскадов.

---

Дата добавления: 2015-07-16