V.2. резисторна каскада.
Поради своята простота, ниска цена, малък размер и добра производителност, резисторните стъпала са основният тип предусилвателни стъпала в електронните усилватели; те се използват и като изходни етапи.
Всяко нискомощно UE с голямо усилване е подходящо за резисторни стъпала. Принципна схема на резисторната каскада на
транзистор, работещ на следващия етап, е показан на фиг. 5.1.
Ориз. 5.1. Принципна схема на резисторното стъпало на предварителната
Спомагателните вериги, налични в диаграмата на фиг. 5.1 (филтърни вериги RF, SF, емитерна стабилизация RE, SE), не са задължителни за резисторната каскада и може да отсъстват в нея. Поради това е препоръчително да се анализират свойствата на каскадата, без да се отчита влиянието на тези вериги. За да направите това, достатъчно е да приемете, че капацитетът на блокиращите кондензатори на тези SF и SC вериги е безкрайно голям; тогава тяхното съпротивление за всички честотни компоненти на сигнала е нула и резисторите RF и RE ще бъдат накъсо за променлив ток и няма да влязат в еквивалентната схема на каскадата. Като се вземат предвид тези допускания и редица опростявания, еквивалентната схема на резисторното стъпало, показано на фиг. 5.1, ще приеме формата, показана на фиг. 5.2.
Ориз. 5.2. Еквивалентна схема на резисторно стъпало с общ емитер.
където SVYH. е изходният капацитет на каскадата;
SVH.SL. е входният капацитет на следващия етап;
CM - монтажен капацитет (монтажни проводници и части на веригата спрямо шасито на усилвателя. За транзисторни каскади със запоени транзистори с миниатюрни части и тяхното рационално разположение, CM \u003d 2 ¸ 4 pf.).
При подаване на входа на резисторния етап входен сигнал с постоянна амплитуда UIN. изходно напрежение UOUT. щепромяна с промяна на честотата на сигнала поради наличието на кондензатори СР и С0 във веригата. С намаляване на честотата на сигнала съпротивлението на изолационния кондензатор SR към променлив ток се увеличава, в резултат на което усилването на каскадата намалява. Следователно честотната характеристика на резисторното стъпало при ниски честоти пада с намаляване на честотата поради влиянието на изолационния кондензатор SR (фиг. 5.3).
Фиг.5.3. АЧХ на резисторното стъпало.
С увеличаване на честотата на сигнала съпротивлението на капацитета СР и С0 на променлив ток пада, а при високи честоти сигналният ток, протичащ през капацитета С0, рязко се увеличава. В резултат на това спадът на напрежението във вътрешното съпротивление на транзистора се увеличава, изходното напрежение намалява и честотната характеристика на резисторния етап при високи честоти пада поради влиянието на капацитета C0.
Капацитетът на изолационния кондензатор SR е избран многократно по-голям от капацитета C0, който зарежда каскадата, и следователно в областта на средната честота кондензаторът SR обикновено не влияе на честотната характеристика, тъй като съпротивлението му при тези честоти е незначително. Съпротивлението на капацитета C0 при тези честоти все още е много високо поради малката му стойност, сигналният ток през него е много малък и също не влияе на честотната характеристика на каскадата при средни честоти.
Следователно работният честотен диапазон на резистора, както и на всяка друга усилваща каскада, може да бъде разделен на три области (фиг.5.3):нискочестотна област, в която свойствата на резисторната каскада се влияят от преходния (разделителен) кондензатор SR;средночестотна област, в която нито CP, нито C0 влияят на свойствата на каскадата и следователно честотната характеристика е хоризонтална; иобласт с висока честота, в коятосвойствата на каскадата се влияят от капацитета C0, който я натоварва.
Следователно, за да се улесни анализът на свойствата и да се опростят изчисленията на усилващите каскади, пълната еквивалентна схема обикновено се преобразува в три частични еквивалентни схеми: за ниски, средни и високи честоти, които включват само онези елементи, които влияят на свойствата на каскадата в даден честотен диапазон. Премахвайки от диаграмата на фиг. 5.2 капацитет C0, получаваме еквивалентна схема за ниски честоти; като премахнем C0 и съединим накъсо капацитета на SR, получаваме верига за средни честоти, а оставим C0 и окъсим SR, получаваме верига за високи честоти. Такава трансформация на пълната еквивалентна схема в частични вериги за ниски, средни и високи честоти е удобна при анализиране на усилващи етапи с всяка схема на междукаскадно свързване и следователно често се използва на практика.
От теорията на електрическите вериги е известно, че фазовото изместване, въведено от реактивните вериги, клони към границите, равни на + p/2 и - p/2, (т.е. + 90 ° и - 90 °) с неограничено намаляване или увеличаване на честотата, съответно.
Сигналният ток, протичащ през кондензатора SR, поради увеличаването на капацитета на кондензатора с намаляваща честота, е пред фазата на ЕМП на източника на сигнал при ниски честоти с ъгъл j, клонящ към 90 ° с безкрайно намаляване на честотата. Следователно изходното напрежение UOUT, което е равно на произведението на този ток и изходното съпротивление на стъпалото, води входното под същия ъгъл. При високи честоти изходното напрежение, което е спадът на напрежението на сигнала върху капацитета C0, изостава от тока на сигнала през този капацитет и ъгълът на фазово изместване j между изходното и входното напрежение се увеличава с нарастваща честота, клонейки към -90°. Това обяснява вида на фазовата характеристика на резисторното стъпало (фиг. 5.4).
Ориз. 5.4. Фазахарактеристики на резисторното стъпало.
V.3. Трансформаторна каскада.
Поради по-голямата цена, размер и тегло, както и поради по-лошите честотни и преходни характеристики, трансформаторният етап на предварително усилване в транзисторните усилватели се използва много по-рядко от резисторния. Използва се главно като инвертиращо стъпало за задвижване на двутактов транзисторен етап в режим B. В допълнение, трансформаторният етап се използва широко като входно устройство и често се използва като изходно устройство за комуникация с високомощно усилващо стъпало с товар.
Схематичните диаграми на етапите на трансформатора са показани на фиг. 5.5a, b.
Ориз. 5.5. трансформаторни каскади.
В транзисторни етапи с висока мощност, работещи за следващия етап (фиг. 5.5a), използването на трансформатор за междукаскадна комуникация позволява да се увеличи усилването на мощността на сигнала с около порядък, да се използва транзистор с по-ниска мощност и да се намали консумацията на енергия. В транзисторните усилватели изходните етапи на трансформатора се използват широко, където трансформаторът служи като изходно устройство, което свързва изходната верига на последния RE с външен товар и позволява да се получи оптимално съпротивление на натоварване за RE, за да се съобрази изходът с съпротивлението на натоварване, както и да се балансира изходната верига (фиг. 5.5b). Често като входно устройство се използва трансформатор; това прави възможно постигането на добро съвпадение на източника на сигнала с входната верига на UE, което намалява необходимото количество усилване и увеличава динамичния диапазон на усилвателя, а също така прави възможно балансирането на входната верига.
Транзисторите в трансформаторните стъпала обикновено се включват с OE или OB. Включването с OB се използва занамаляване на нелинейното изкривяване, както и за стабилността на свойствата на каскадата при подмяна на транзистора. Рядко се използва включване с ОК.
Тестови въпроси:
1. Каква е целта на етапите на предусилвателя?
2. В какъв режим на работа е препоръчително да се използват предусилвателни стъпала и защо?
3. Обяснете предназначението на елементите на веригата на резисторната каскада, показана на фигура 5.1.
4. Начертайте честотната характеристика на резисторното стъпало и обяснете формата му.
5. Начертайте фазово-честотната характеристика на резисторното стъпало и обяснете нейната форма.
6. Начертайте етап на трансформатор за предварително усилване, обяснете предназначението на елементите на веригата. Какви са предимствата и недостатъците на веригата за усилване на трансформатор в сравнение с резисторния етап?