3.2.5. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов

При заданном сопротивлении нагрузки Rн бестрансформаторного каскада и заданной мощности сигнала Рн, отдаваемой им в нагрузку, для получения наибольшего коэффициента полезного действия и наименьшего расхода энергии питания значение питающего каскад напряжения Е должно быть строго определенным. Для бестрансформаторных двухтактных каскадов мощного усиления, показанных на рис. 3.2.5, 3.2.6, при работе их в режиме А сопротивлением нагрузки плеча двухтактной схемы является удвоенное сопротивление внешней нагрузки, т. е. 2Rн, так как в режиме А оба плеча схемы работают параллельно на сопротивление Rн. Нагрузочную прямую плеча схемы в этом случае строят для R~=2Rн (рис. 3.2.10а), а необходимое для наименьшего расхода энергии напряжение питания каскада Е и другие расчетные величины находят из выражений

(3.2.14)

(3.2.15)

Eсли задано напряжение питания E, а сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, то необходимое для наименьшего расхода энергии сопротивление нагрузки в режиме А

В выражениях (3.2.14) и (3.2.15) Uост — остаточное напряжение коллектор — эмиттер при максимальном токе коллектора Imax, соответствующее верхней точке нагрузочной прямой; Imin — минимальный ток коллектора, соответствующий нижней ее точке.

У бестрансформаторных двухтактных каскадов рис. 3.2.5, 3.2.6 при работе их в режиме В сопротивление нагрузки плеча R~, для которого строят нагрузочную прямую на семействе выходных характеристик транзистора, равно сопротивлению нагрузки Rн, так как плечи здесь работают на нагрузку поочередно Необходимое для наименьшего расхода энергии напряжение питания при заданном сопротивлении нагрузки каскада Rн или необходимое сопротивление нагрузки каскада при заданном напряжении его питания Е и другие расчетные величины для бестрансформаторных каскадов находят из выражений

(3.2.16)

где Uост — остаточное напряжение коллектор — эмиттер при токе коллектора, равном Imax . Ток покоя

коллектора I’0 у таких каскадов в режиме В обычно можно брать порядка (0,04—0,07) I'mах, т. е. меньше чем у трансформаторных, так как бестрансформаторные каскады обычно охватывают глубокой обратной связью по постоянному и переменному токам, стабилизирующей положение точки покоя и сильно снижающей вносимые каскадом нелинейные искажения. Полученные в результате расчета по формулам (3.2.13)-(3.2.15) значения Imax и I’max не должны превышать максимально допустимый ток коллектора применяемых в каскаде транзисторов, а значение Е не должно превышать 0,8—0,9 максимально допустимого напряжения коллектор — эмиттер. Частотные свойства используемых транзисторов должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к частотной или переходной характеристике устройства. Расчет остальных данных проводят так же, как и в трансформаторных каскадах.

3.3. Широкополосные каскады и каскады специального назначения

3.3.1. Особенности широкополосных усилителей

Широкополосные усилители отличаются от усилителей звуковой частоты некоторыми специфическими особенностями. Так как в широкополосных усилителях требуется усиливать электрические сигналы в очень широкой полосе частот — от единиц или десятков герц до многих мегагерц, то в них используют резисторные каскады (имеющие наилучшие частотные, фазовые и переходные ха-рактеристики), дополненные для расширения полосы усиливаемых частот специальными корректирующими цепями. Широкополосные каскады с коррекцией применяют для усиления как гармонических, так и импульсных сигналов, для широкополосного усиления используют специальные транзисторы, называемые высокочастотными, имеющие высокую предельную частоту коэффициента передачи тока. Транзисторы в широкополосных каскадах обычно включают с общим эмиттером или истоком.

Рассмотрим особенности широкополосного усилителя, связанные с весьма высоким значением верхней границы полосы пропускания f_в.

Как видно из формулы (3.1.15), для увеличения полосы пропускания частот (для увеличения f_в) надо уменьшить резистор R коллекторной или анодной нагрузки. Но с уменьшением R согласно (3.1.7), снижается коэффициент усиления .каскада, поэтому широкополосные каскады имеют сравнительно небольшой коэффициент усиления, тем меньший, чем выше верхняя рабочая частота f_в. Малое значение К_ср иметь невыгодно, так как. это заставляет увеличивать число каскадов усилителя, что усложняет и удорожает усилитель и уменьшает надежность его работы. Поэтому важным показателем широкополосного каскада, характеризующим его качество, является произведение коэффициента усиления напряжения в области средних частот К_ср на верхнюю граничную частоту f_вг, пропорциональное площади частотной характеристики; обозначим это произведение через П и назовем площадью усиления каскада:

(3.3.1)

Рассмотрим зависимость площади усиления от рода используемого в каскаде усилительного элемента и сопротивления его нагрузки. Площадь усиления резисторного каскада с полевым транзистором можно найти, определив из (3.1.12) значение f_вг и умножив его на (3.1.7):

(3.3.2)

Полученное выражение показывает, что площадь усиления широкополосного резисторного каскада с полевым транзистором или электронной лампой не зависит от сопротивления его нагрузки, а определяется только крутизной характеристики S и емкостью С₀, нагружающей каскад. Это объясняется тем, что при уменьшении сопротивления нагрузки каскада коэффициент усиления падает во столько же раз, во сколько увеличивается верхняя граничная частота, а поэтому их произведение остается постоянным. Из (3.3.2) следует, что а значит, чем больше площадь усиления каскада, тем он может дать больше коэффициента усиления при заданной высшей рабочей частоте или заданном времени установления.

Поэтому для уменьшения расхода энергии питания для широкополосного каскада следует брать транзистор с наименьшим потреблением энергии, лишь обеспечивающие необходимое усиление и нужную амплитуду сигнала.

У каскада с биполярным транзистором уменьшение сопротивления нагрузки при большом его значении уменьшает усиление и повышает верхнюю граничную частоту, как и у каскада с полевым транзистором.

П ри сопротивлении нагрузки порядка 100 Ом и выше площадь усиления каскада с биполярным транзистором:

(3.3.3)

но при малых сопротивлениях нагрузки (десятки Ом и меньше) вследствие влияния сопротивления базы r’_б верхняя граничная частота растет медленнее, чем падает усиление, а поэтому площадь усиления уменьшается, стремясь к 0 при R = 0.

Расход энергии на питание маломощного широкополосного каскада с биполярным транзистором обычно несколько меньше, чем в каскаде с полевым транзистором. Поэтому по усилению и расходу энергии питания, наилучшими усилительными элементами для широкополосного усиления являются биполярные транзисторы. Однако большой разброс значений h_21э и f_т у различных экземпляров заставляет при их применении использовать меры, стабилизирующие коэффициент усиления каскада и его частотную или переходную характеристику.

Для широкополосного усиления обычно используют резисторные каскады, так как они имеют наилучшую частотную и переходную характеристики; для расширения усиливаемой каскадом полосы частот и изменения формы частотной и переходной характеристик в широкополосных каскадах используют дополнительные цепи, называемые корректирующими цепями или цепями коррекции.

Цепи, изменяющие частотную характеристику в области нижних частот и переходную характеристику в области больших времен, называют цепями низкочастотной коррекции, а цепи, изменяющие частотную характеристику на верхних частотах и переходную характеристику в области малых времен, — цепями высокочастотной коррекции.

Применение цепей высокочастотной коррекции позволяет снизить частотные искажения в области верхних частот без потери усиления на средних частотах или при неизменном значении Y_в получить большее значение К_ср, иначе говоря, повысить площадь усиления. Применение коррекции в области нижних частот позволяет уменьшить частотные искажения при неизменной емкости разделительных и блокировочных конденсаторов, либо при том же Y_н взять конденсаторы меньшей емкости.

Коррекцию применяют и тогда, когда необходимо получить частотную характеристику усилителя или отдельных каскадов специальной формы, например с подъемом, чтобы скомпенсировать снижение усиления в других звеньях тракта передачи или других каскадах.

Корректирующие цепи корректируют не только частотную, но также фазовую и переходную характеристики каскада; расчет компонентов корректирующей цепи производится различно в зависимости от того, какую характеристику нужно корректировать.