4.11. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СВЯЗЬЮ

Усилительные каскады с трансформаторной связью применяют тогда, когда требуется оптимальное согласование сопротивления нагрузки и выходного сопротивления усилительного каскада.

Такие усилительные каскады сравнительно дороги, имеют худшие частотные характеристики по сравнению с бестрансформаторными каскадами, вносят повышенные нелинейные искажения, имеют значительные массу и габариты. Однако при необходимости обеспечить гальваническую развязку частей усилителя или при получении в нагрузке максимальной мощности, а соответственно и максимального коэффициента усиления по мощности, обойтись без трансформаторной связи пока не удается. Максимальная передача мощности от источника сигнала в нагрузку имеет место при равенстве их сопротивлений. Поэтому если и RH различны по значению, то их согласуют с помощью трансформатора, для которого в идеальном случае справедливы соотношения

(4.213)

где — соответственно сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную обмотку трансформатора, и сопротивление генератора, пересчитанное во вторичную обмотку; — числа витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

Рис. 4.38. Схемы трансформаторных каскадов: а - с последовательным включением трансформа юров, б — с параллельным включением трансформаторов

Так как в режиме оптимального согласования необходимо соблюдение соотношений

(4.214)

то коэффициент трансформации для оптимального согласования

(4.215)

В усилительных каскадах возможно и параллельное последовательное включение обмоток трансформаторов с транзисторами. При последовательном включении — обмотку трансформатора включают в соответствующую цепь вместо нагрузочного сопротивления и через нее протекает и постоянный и переменный токи (рис. 4.38, а). Постоянный ток создает постоянный магнитный поток подмагничивания.

Рис. 4.39. Эквивалентные схемы трансформатора: а - полная; б - упрощенная для низких частот; в - для средних и высоких частот; - индуктивность намагничивания; - активные сопротивления обмоток, приведенные к первичной обмотке: - индуктивности рассеяния, приведенные к первичной обмотке; - сопронивление, характеризующее потери в магнитной системе

При параллельном включении трансформатор подключают параллельно соответствующему сопротивлению в цепи коллектора через конденсатор (рис. 4.38, б). В этом случае через обмотки трансформатора постоянный ток не протекает и подмагничивание магнитного сердечника отсутствует.

Особенностью транзисторных каскадов с трансформаторной связью является то, что согласующий трансформатор должен быть, как правило, понижающим. Действительно, если рассмотреть усилительный каскад с параллельным включением трансформатора, то , и если нагрузкой является входная цепь каскада с общим эмиттером, имеющая входное сопротивление

Учитывая, что значение составляет несколько кОм, нетрудно подсчитать, что обычно (порядка 0,25 0,5).

Эквивалентную схему трансформатора представляют в виде, показанном на рис. 4.39 (см. §1.3).

При расчете использование полной эквивалентной схемы приводит к громоздким выражениям, затрудняющим анализ, поэтому обычно рассматривают отдельные эквивалентные схемы для низких (рис. 4.39, б), средних (рис. 4.39, в) и высоких (рис. 4.39, г) частот. При этом появляется возможность пренебречь параметрами, которые существенно не влияют ход процессов в рассматриваемом диапазоне частот.

Для четкого уяснения влияния трансформатора на результирующие характеристики каскада проанализируем, как изменяется коэффициент усиления схемы с ОЭ при подключении источника входного сигнала и нагрузки через трансформатор.

Для определенности рассмотрим параллельную схему включения трансформаторов (см. рис. 4.38, б).

Для каскада с ОЭ коэффициент усиления по напряжению в диапазоне средних частот

Если вместо подставить и учесть, что обычно , а также что входное напряжение изменяется в раз, а выходное — в раз, получим коэффициент передачи напряжения для схемы с ОЭ и трансформаторной связью в диапазоне средних частот:

(4.216)

Можно определить все интересующие параметры трансформаторного усилительного каскада подставив в уравнения полученные для рассмотренных каскадов значения соответствующих сопротивлений и коэффициентов, определенные с учетом эквивалентной схемы трансформатора для данного диапазона частот.

Трансформаторное согласование позволяет улучшить энергетические характеристики усилительного каскада. Например, если , то при бестрансформаторном подключении , а при согласовании с помощью трансформатора .

Следует отметить, что с развитием микроэлектроники применение трансформаторов для согласования каскадов практически прекратилось. Это связано с отсутствием микроминиатюрных трансформаторов. Однако при создании высокочастотных избирательных усилителей трансформаторное согласование используется достаточно широко. В этих случаях первичная 1 или вторичная 2 или обе одновременно обмотки трансформатора выполняют роль резонансных -контуров (рис. 4.40, а, б). Эквивалентное сопротивление Z, включенное в цепь коллектора, зависит от частоты сигнала.

Рис. 4.40. Схемы избирательных усилителей их амплитудно-частотная характеристика (в)

Соответственно изменяется коэффициент усиления каскада, который достигает максимума на резонансной частоте (рис. 4.40, в). Для уменьшения влияния выходного сопротивления каскада на добротность контура и сопротивление Z коллекторную цепь часто подключают только к части витков. Вторичная обмотка 2 обеспечивает трансформаторную связь контура с нагрузкой (рис. 4.40, а). Для улучшения избирательности ее иногда также ставят в режим резонансного -контура, к которому подключают сопротивление нагрузки (рис. 4.40, б). В отдельных случаях создают систему индуктивно связанных резонансных контуров, частоты резонансов которых различаются между собой. Это позволяет обеспечить усиление сигналов, лежащих в полосе частот, ширина которой зависит от расстройки контуров.

Таким образом, трансформаторную связь между каскадами применяют для гальванической развязки частей усилителя, при получении максимального усиления по мощности, оптимальном согласовании сопротивлений генератора и нагрузки.