Цепи связи.

С помощью цепей связи отдельные каскады объединяются в многокаскадный усилитель; их можно разделить на комплексные (реостатно-емкостные и трансформаторные) и гальванические.

Расчет комплексных цепей связи заключается в определении необходимых емкостных или индуктивных сопротивлений для получения заданного модуля или фазы коэффициента передачи частотнозависимой цепи, образованной транзисторами, активными сопротивлениями и емкостными или индуктивными сопротивлениями.

Комплексный коэффициент передачи (или частотная функция) реостатно-емкостных и трансформаторных цепей связи определяется выражением

где — коэффициент передачи цепи связан в области средних частот;

— постоянная времени цепи связи в области высоких частот;

— постоянная времени цепи связи в области низких частот.

Модуль и фаза коэффициента передачи определяются выражениями

В области низких частот

Постоянную времени реостатно-емкостной цепи связи в области низких частот определяют после приведения реальной схемы к эквивалентной (рис. III.6, а). Тогда

и

Постоянную времени трансформаторной цепи связи в области низких частот находят также после приведения реальной схемы к эквивалентной (рис. III.6, б). В этом случае

Преобразование реальных схем к эквивалентным простейшего вида (рис. III.6) производят на основании теоремы об эквивалентном генераторе.

Рис. III.6. Эквивалентные схемы цепей связи: а — реостатно-емкостная; б — трансформаторная

Изменение угла сдвига фаз в любой цепи связи описывается следующим приближенным выражением:

где — изменение постоянной времени данной цепи связи [2].

Если заранее известно, что усилитель необходимо охватить общей отрицательной обратной связью, расчет цепей связи и комплексной цепи общей обратной связи следует производить совместно [4,15].

Усилитель переменного тока с гальваническими связями (УГС), охваченный общей цепью ОС по постоянному току, представляет собой усилитель постоянного тока с глубокой отрицательной обратной связью (см. гл. I). Цепь обратной связи выполняется комплексной, чтобы обратная связь на нулевой частоте была достаточно

глубокой для обеспечения заданной стабильности режима транзисторов. В диапазоне рабочих частот усилителя глубина обратной связи должна быть меньшей для получения высокого усиления.

Эффективность отрицательной обратной связи тем выше, чем больше коэффициент усиления звена, охваченного ею. Для этого необходим высокий коэффициент усиления К разомкнутой системы. Поэтому для эффективной стабилизации режима транзисторов коэффициент усиления усилителя по постоянному току должен быть по возможности большим. Эта зависимость проявляется уже в отдельном транзисторном каскаде, если рассматривать стабильность режима при увеличении а транзистора. При величина и зависимость уменьшается.

УГС рассматривается как единая замкнутая система. Методы стабилизации режима должны применяться для УГС в целом, а не для отдельных транзисторов. Поэтому каждый транзистор УГС должен обеспечивать максимальное усилие по току величина выбирается максимально возможной. В этом заключается различие методов стабилизации режима УГС и отдельных каскадов.

Очевидно, что при значительной величине стабильность режима оконечного транзистора может быть получена достаточно высокой. При больших значениях (близких к 1/1 — а) изменение коллекторного тока каждого транзистора, кроме оконечного, приблизительно равно изменению тока базы следующего транзистора. Изменение напряжения коллектор — эмиттер транзистора, кроме оконечного, равно изменению напряжения база — эмиттер транзистора, поэтому

Чем больше коэффициент усиления каждого транзистора УГС (чем больше тем более стабильными можно получить режимы всех транзисторов усилителя, охваченного общей ОС по постоянному току. Наиболее стабильным всегда будет режим первого транзистора, который поэтому может работать при очень малом коллекторном токе и малом напряжении коллектор — эмиттер, т. е. в режиме, обеспечивающем минимум шумов.

Параллельная ОС по напряжению, необходимая для стабилизации режима транзисторов, может быть осуществлена в УГС, так же как в одиночных каскадах, без дополнительного источника смещения или с ним.

Во всех схемах с параллельной обратной связью по напряжению (рис. II 1.7) сопротивление обратной связи определяется следующим выражением:

где — допустимое изменение напряжения коллектор — эмиттер оконечного транзистора;

возможное изменение э. д. с. в цепи эмиттера оконечного транзистора;

— возможное изменение напряжения база — эмиттер первого транзистора;

— возможное изменение э. д. с. в цепи эмиттера первого транзистора;

— возможное изменение тока во входной цепи первого транзистора.

Возможное изменение тока во входной цепи первого транзистора (ток дрейфа, приведенный ко входу

где — возможное изменение коллекторного тока любого транзистора в УГС, не охваченном обратной связью, определямое без учета влияния предшествующих каскадов; с учетом изменений только и а имеем

— коэффициент усиления по току

Рис. III.7. Трехкаскадный усилитель с гальваническими связями и общей отрицательной обратной связью по постоянному току: на транзисторах одинакового типа проводимости

В выражении (111.25) все слагаемые имеют знак плюс для схем с чередованием типа проводимости транзистора. Для схем с транзисторами одного типа проводимости четные слагаемые отрицательны. Полученные выражения (И 1.24) и (II 1.25) позволяют определить необходимое сопротивление резистора из условий получения заданной стабильности напряжения коллектор — эммиттер оконечного транзистора [4,15].

Главным условием успешного проектирования транзисторных усилителей переменного тока является правильный выбор режима транзисторов (коллекторного тока и напряжения коллектор — эмиттер) и обеспечение необходимой стабильности этого режима, при которой обеспечивается получение требуемых амплитуд напряжения и тока в нагрузке каждого каскада. В оконечном каскаде транзисторы работают в режиме класса В. Он обеспечивает получение заданной максимальной мощности в нагрузке. Однако его характеристики недостаточно линейны и стабильны.

Стабилизация и линеаризация характеристик наиболее эффективно обеспечиваются ОС, охватывающей весь усилитель. При этом

обеспечивается взаимозаменяемость транзисторов и практически любая заданная стабильность и линейность характеристик в диапазоне изменения температуры.

Говоря о температурной стабильности транзисторного усилителя, следует четко различать стабильность режима транзисторов и стабильность дифференциальных параметров усилителя

Стабильность режима транзисторов необходима для получения заданных амплитуд напряжения и тока без ограничений. Стабильность режима транзисторов обеспечивается ОС по постоянному току в отдельных каскадах или в многокаскадном усилителе с гальваническими связями.

Стабильность дифференциальных параметров усилителя может быть достигнута лишь за счет ОС по переменному току.

Рис. III.8. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика петлевого усиления

Но введение этой обратной связи дает соответствующий эффект только в работоспособном усилителе. Работоспособность усилителя обеспечивается достаточной стабильностью режима каждого транзистора.

Нестабильность дифференциальных параметров транзисторов приводит к нестабильности параметров всего усилителя и затрудняет воспроизведение усилителя при серийном производстве. Универсальным средством практически с неограниченной степенью желаемого воздействия одновременно на все дифференциальные параметры усилителя является ОС, охватывающая весь усилитель. Другие способы устранения недостатков транзисторов уступают методу ОС как в эффективности воздействия, так и в возможности повторения их в производственных условиях с минимальными затратами. Однако усилитель с общей ОС будет соответствовать своему назначению только в случае сохранения им устойчивости во всех режимах работы. Поэтому при проектировании таких усилителей должны быть решены две задачи: обеспечения заданных дифференциальных параметров и сохранения устойчивости.

Усилитель с общей ОС представляет собой качественно новый тип усилителя, построенный по принципу замкнутой системы автоматического регулирования. Комплексный метод

проектирования усилителей с общей ОС основан на формировании (рис. II 1.8) определенного вида логарифмической амплитудно-частотной характеристики петлевого усиления Такая характеристика обеспечивает выполнение технических требований к дифференциальным параметрам усилителя и гарантирует его устойчивость при минимальных затратах емкости и индуктивности в цепях связи и коррекции. При выборе наклонов низко- и высокочастотных участков желаемой учитывается требование устойчивости усилителя при минимальных суммарных емкостях и индуктивностях в цепях связи. В случае необходимости может быть учтено и требование к переходному процессу усилителя соответствующим смещением частот сопряжения асимптот желаемой ЛAX. Требования к дифференциальным параметрам усилителя выполняются выбором глубины и частот сопряжения и (см. рис. III.8). Низко- и высокочастотная области желаемой описываются соотношениями

где — целое число, соответствующее количеству звеньев, определяющих наклон в области частот и

Аналитические выражения для расчета частот сопряжения желаемой приведены в работе [4]. Минимум суммарной емкости и индуктивности может быть получен лишь в том случае, если желаемая будет формироваться прежде всего элементами комплексных цепей связи. Только при таком подходе предельно упрощается частотная коррекция, упрощается структура цепи коррекции и уменьшается суммарная дополнительная емкость. Поскольку желаемая обычно не может быть сформирована только цепями связи, то в усилитель вводится частотная коррекция. Синтез элементов цепи коррекции проводится по передаточной функции

где — передаточная функция прямого усилителя;

— передаточная функция желаемой

Формирование высокочастотной области желаемой элементами прямого тракта усилителя приводит к сложным схемным решениям. Поэтому эта задача решается цепями коррекции.

Принципы формирования желаемой ЛАХ, структура цепей коррекции, выбор места их включения, аналитические выражения для расчета элементов приведены в работах [4 и 15].

Проектирование усилителя переменного тока с общей ОС состоит из следующих этапов:

1. Определяют глубину обратной связи и коэффициент усиления усилителя в разомкнутом состоянии. Для этого должны быть известны коэффициент усиления в замкнутом состоянии усилителя и требования к его дифференциальным параметрам.

2. Выбирают структуру усилителя и рассчитывают режимы транзисторов.

3. Производят расчет частот сопряжения асимптот желаемой ЛАХ .

4. Определяют элементы комплексных цепей связи усилителя с целью максимального приближения частотной характеристики усилителя к желаемой.

5. Определяют передаточные функции усилителя для областей низких и высоких частот.

6. Определяют передаточные функции цепей коррекции для этих областей.

7. Синтезируют цепи коррекции по

Основными общими вопросами проектирования усилителей являются выбор классов усиления и типа цепей связи.