книги / Синтез транзисторных усилителей и фильтров

В ряде случаев, например для построения активных фильтров, для компенсации затухания в линиях задержки и т. д., возникает необходимость создания усилителей с относительно небольшим, но точным и стабильным коэффициентом усиления, определенным входным сопротивлением и малым фазовым сдвигом в полосе ра­ бочих частот. Обычный способ проектирования усилителей с ма­ лым фазовым сдвигом на низких частотах заключается в постановке в эмиттерные цепи конденсаторов очень большой емкости, что при­ водит к увеличению объема и стоимости системы. Поэтому подоб­ ного рода усилительные устройства целесообразно строить без применения развязывающих конденсаторов в эмиттерных цепях.

Эти устройства являются разновидностью усилителей с непосредст­ венной межкаскадной связью, еще более приближающейся к уси­ лителям постоянного тока. Принципиальная электрическая схема такого усилителя по переменному току (схема прохождения сиг­ нала) отличается от принципиальной схемы по постоянному току (схема цепей питания) только наличием входного конденсатора. Следовательно, усилитель может быть назван усилителем с квазиединой схемой-. (Заметим, что усилители постоянного тока в этом смысле являются усилителями с единой схемой, хотя их эквива­ лентные схемы по постоянному току и по сигналу всегда отличаются друг от друга.)

Максимально возможную величину коэффициента усиления по напряжению усилителя с квазиединой схемой можно рассчитать на основе простых соотношений, полученных из рассмотрения рис. 4-7. Очевидно, что коэффициенты усиления отдельных каска­ дов равны

Общий коэффициент усиления по напряжению не может быть

121

— 3£/к и общий коэффициент усиления трехкаскадного усилителя

и т. д. Коэффициент усиления усилителя можно повысить, используя сопро­ тивление разгрузки, которое вместе с тем уменьшает ток, протекающий че­ рез транзистор. Пусть эмиттерный ток четвертого каскада усилителя, рас­ считанного в начале примера, равен / э4 = 10 ма. Сопротивления в эмиттер-

транзистор упадет до 5 ма. Падение тока в коллекторной цепи позволит уве­ личить сопротивление нагрузки каскада вдвое (при сохранении первоначаль­ ной величины напряжения UK4). Коэффициент усиления по напряжению чет­ вертого каскада

значительно возрастает. В результате общий коэффициент усиления усили­ теля с квазиединой схемой составит Ки = 255.

Дальнейшее увеличение коэффициента усиления в усилителях с квазиединой схемой возможно за счет применения диодов-стаби­ литронов, включаемых вместо сопротивлений разгрузки. Из-за значительного разброса величин напряжения стабилизации диодыстабилитроны можно использовать только в усилителях, охвачен­ ных глубокими обратными связями по постоянному току. Примеры схем таких усилителей показаны на рис. 4-8. К недостаткам диодовстабилитронов относятся значительные шумы их в низкочастотной области. Поэтому введение диода-стабилитрона в усилитель может

122

сопровождаться постановкой конденсатора средней емкости, шун­ тирующего диод и предназначенного для уменьшения шумов. Влия­ ние конденсатора при расчете коэффициента усиления обычно не учитывается.

Проектирование усилителей с квазиединой схемой может быть проведено методом проб в следующем порядке:

1) определение числа каскадов усилителя;

2) выбор принципиальной схемы;

3)задание приблизительных режимов;

4)предварительный расчет усилительных параметров;

5)корректировка режимов (возможно введение сопротивлений разгрузки);

6)контрольный расчет усилительных характеристик и их ста­ бильности.

Количество проб определяется сложностью задачи и опытом разработчика.

Усилители с квазиединой схемой обычно строятся на каскадах с ОЭ. Исключение может составить выходной каскад, который с

123

целью понижения выходного сопротивления, может быть включен по схеме с общим коллектором (ОК). Проектируя усилитель, прежде всего нужно определить требуемое число каскадов и величины на­ пряжений на электродах, обеспечивающие необходимый коэффи­ циент усиления. Затем надо построить такую принципиальную схему усилителя, применение которой гарантирует стабильность работы усилителя при выбранных напряжениях и токах. Проек­ тируя усилитель, целесообразно возможно шире использовать об­ ратные связи.

Введение отрицательных обратных связей уменьшает фазовый сдвиг, вносимый усилителем на высоких частотах. Широкое ис­ пользование обратных связей обеспечивает воспроизводимость параметров усилителей при серийном производстве последних

иподдержания их стабильности в процессе эксплуатации. С этой точки зрения рекомендуется вводить многопетлевые обратные связи, охватывающие наибольшее число каскадов. В этом случае параметры усилителя определяются всеми охваченными каскадами

иразброс параметров уменьшается не только за счет влияния об­ ратных связей (если они отрицательны), но и в силу законов теории вероятностей за счет увеличения числа составляющих. Так, если законы распределения составляющих нормальны, то в случае п каскадов при равной доле участия их в определении величины

данного параметра ожидаемый разброс уменьшается в ]/*/г раз.

Рассмотрим проектирование усилителя, который предназначен для ком­ пенсации затухания в линии задержки и должен иметь следующие величины параметров:

коэффициент усиления по напряжению Ки = 1,41 (3 дб)\ отклонение коэффициента усиления Д/Сы < i t 0,09 (±: 0,5 дб)\ входное сопротивление # ах = 1 ком;

выходное сопротивление ЯВЬ1Х = 1 ком; фазовый сдвиг на частоте f — 100 гц <р < 1°;

максимальная величина выходного напряжения ивых макс > 2 в.

Эффект усиления по напряжению на транзисторе при равных сопротив­ лениях входа и нагрузки существует лишь в случае применения схемы ОЭ. Каскад ОЭ переворачивает фазу на 180°, поэтому, чтобы ликвидировать фа­ зовый сдвиг, необходимо использовать четное число каскадов. В нашем слу­ чае достаточно двух, так как требуется очень небольшое усиление.

С учетом сказанного целесообразной представляется схема усилителя, показанная на рис. 4-9, а. Сопротивление нагрузки цепи Ra2 = Ra 133

=1 ком. Этапы определения величин сопротивлений усилителя следующие.

1) Вычислим минимально допустимое значение напряжения на сопро­ тивлении нагрузки. Чтобы обеспечить неискаженную форму выходного сиг­ нала требуемой величины, оно должно составлять не менее 3 в, так как

Зададимся напряжениями иа коллекторах обоих транзисторов. Предва­ рительный выбор значений этих напряжений в достаточной мере произволен, однако надо иметь в виду обеспечение заданного выходного напряжения при работе в различных температурных условиях. Этим условиям удовлетворяют, например, следующие несколько увеличенные значения напряжений:

t/j(l == 3 flj £/jf2 == ®в.

124

Предварительная величина напряжения в цепи эмиттера может быть вычислена на основе формулы (4-15), которая в. данном случае имеет вид

Ки<

(Un + UKJ)

R,

Теперь можно вычислить величины сопротивлении в цепях усилителя и требуемое напряжение питания. Расчет дает следующие величины сопротив­

125

противления усилителя и ухудшить температурную стабильность, поэтому целесообразно уменьшить величину сопротивления 7?5, ввести сопротивление разгрузки во второй каскад и снова повторить расчет.

В результате последующих проб удается спроектировать усилитель, удовлетворяющий заданным требованиям. Схема усилителя с учетом цепи фильтра источника питания показана на рис. 4-9, б. Номинальные величины

Отсюда видно, что сопротивления во входных цепях усилителя также не­ сколько изменены, это сделано, чтобы удовлетворить условию RBX = 1 ком.

Температурная стабильность режимов работы усилителя достаточно велика вследствие значительных постоянных токов в транзисторах и глубо­ ких обратных связей по режиму. Глубокие обратные связи по усиливаемому сигналу (в данном случае общая глубина обратных связей составляет более 40 дб) поддерживают коэффициент усиления в заданных границах при всех возможных (в пределах технических условий) изменениях величин парамет­ ров элементов и колебаниях температуры окружающей среды от 0 до 60° С.

Усилители с квазиединой схемой полностью разрешают про­ блему устойчивости на низких частотах и дают возможность про­ ектировать видеоусилители с очень низкими граничными частотами. Некоторые варианты широкополосных усилителей, в той или иной мере использующих принципы построения квазиединых схем, рас­ смотрены в дальнейшем.

126

4-3. Усилители на каскадах с чередующимися обратными связями

Наиболее распространенными видами однокаскадных усилите­ лей, охваченных обратными связями, являются усилители с по­ следовательной (рис. 4-10, а) и с параллельной (рис. 4-10, 6) об­ ратной связью. Рассмотрим эти усилители, воспользовавшись фи­ зическими параметрами транзистора.

Последовательная отрицательная обратная связь в усилителе стабилизирует крутизну /вых/нвх. Усилитель, охваченный такой связью, имеет высокие величины входного и выходного сопротив­ лений и должен работать от генератора напряжения в качестве источника сигнала на небольшое (идеально нулевое) сопротивление

Рис. 4-10.

нагрузки. Если каскад с прследовательной обратной связью под­ ключить к источнику сигнала с высоким выходным сопротивлением, то цепь обратной связи окажется разомкнутой.

Передаточное полное сопротивление усилителя определяется функцией

при условии, что сопротивление нагрузки не слишком велико. Для стабилизации крутизны сопротивление R3 должно быть до­ статочно большим, чтобы избежать неопределенности за счет со­

Входное сопротивление усилителя с последовательной обратной связью # ВХ.0~ Р # Э*

Выходное сопротивление усилителя весьма велико и, если уси­ литель работает от генератора напряжения, приблизительно опре­ деляется формулой

127

В усилителе с параллельной обратной связью последняя ис­ пользуется для стабилизации передаточного сопротивления мвыхЛвх* Усилитель характеризуется малыми величинами вход­ ного и выходного сопротивлений. Он должен работать от генера­ тора тока и быть нагружен на большое (идеально бесконечное) со­ противление. (Цепь обратной связи оказывается замкнутой на об­ щую точку, если сопротивление генератора сигнала мало.) Пере­ даточное полное сопротивление усилителя

Для стабилизации величины передаточного сопротивления от­ ношение R0/Ra следует выбирать небольшим, тогда влияние изме­ нения коэффициента усиления по току р практически не сказы­ вается и передаточное сопротивление

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с параллель­ ной обратной связью может быть рассчитан по формуле

Каскады, охваченные обратной связью, можно включать груп­ пами, в которые входят каскады с обратными связями одного или разных видов. В усилителях на каскадах с одним видом обратной связи стабильная величина усиления невелика вследствие взаимо:

128

действия между каскадами. Предельное значение коэффициента усиления каскада с последовательной обратной связью, заданное

с точностью ± 5 % , достигает £иоыакс~0Л Р ПРИ условии, что р — коэффициент усиления по току «среднего» транзистора, а про­

изводственный допуск на величину р составляет 0,7р < р •< 23. Для каскада с параллельной обратной связью при тех же ус-

ЛОВИЯХ *io.Maltc« 0 ,lp — 1.

Большего усиления, чем от усилителя без обратной связи, по­ лучить не удается, хотя требования к стабильности тока эмиттера понижаются.

Представляет интерес использование усилителей, каскады ко­ торых поочередно охвачены разнотипными обратными связями

[19].Теоретически предельное усиление двух соседних каскадов

счередующимися обратными связями

настолько значительно, что для усилителей видеочастот целесо­ образно применять именно этот случай. Выражение (4-26) опреде­ ляет стабильный коэффициент передачи между входом одного кас­ када и выходом следующего. Если за каскадом с последовательной обратной связью следует каскад с параллельной связью, то К0 макс

определяет величину предельного усиления по напряжению; если последовательность включения каскадов обратная, то К0 макс

является предельным коэффициентом усиления по току. Смысл составления усилителей из групп каскадов с чередующимися об­ ратными связями заключается в том, что создается большое рас­ согласование сопротивлений между соседними каскадами и, таким образом, исключается их взаимодействие. При этом каждый каскад работает в условиях, близких к идеальным, в которых существует стабильный коэффициент передачи.

Общее усиление усилителя может быть достаточно точно вы­ числено перемножением коэффициентов передачи отдельных кас­ кадов, заданных выражениями (4-17) или (4-18) и (4-21) или (4-22). Следовательно, когда каскад с последовательной обратной связью— первый в группе, то коэффициент усиления по напряжению

Точное значение коэффициента усиления получается, если

*Н1 ^вх/+1

129

Общий коэффициент усиления последовательно включенных

Рис. 4-11.

где / — номер группы. При другом чередовании обратных связей в группе коэффициент усиления по току

(4-29)

= П #01/

#Э2/

Рис. 4-12.

В этом случае входное сопротивление каскада с последователь­ ной обратной связью нагружает каскад с параллельной связью и оказывает некоторое влияние на его усиление согласно выражению (4-21). Предельное значение стабильного усиления вычисляется исходя из предположения, что сопротивление в цепи коллектора транзистора Т2 (рис. 4-11) является бесконечным.

130