logo

Воскресенье 11 Декабрь 2016 (GMT+0300)

Главная Усилительные каскады и устройства Схемотехника усилителей Схема с ОБ Трансформатор в цепи ОС

Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОБ и его анализ: Каскад с трансформаторной обратной связью

Печать
Схемотехника - Схемотехника и конструирование схем

 

Как уже отмечалось выше, высокочастотные усилительные каскады, построенные по схеме с общей базой, характеризуются повышенной склонностью к самовозбуждению, т.е. они обладают низкой устойчивостью. При построении узкополосных усилителей предотвратить самовозбуждение удается за счет фильтрации на входе каскада нежелательных частотных составляющих, а вот в широкополосных схемах такое решение невозможно. Единственным способом повышения устойчивости здесь является охват усилительного каскада с ОБ достаточно глубокой внутрикаскадной ООС. Это, конечно, приводит к заметному падению общего коэффициента усиления, но зато позволяет расширить динамический диапазон и обеспечить приемлемую устойчивость схемы в широкой полосе частот.

При конструировании высокочастотных усилителей (а именно на высоких частотах применение схемы с ОБ обычно оказывается рациональным) важнейшими требованиями являются: обеспечение низкого уровня шумов и минимизация потерь во всех элементах каскада. Как уже было показано при анализе усилительных схем с ОЭ, наиболее удачным решением, удовлетворяющим обоим этим условиям, будет применение в цепи ООС чисто реактивных элементов, например связанных индуктивностей.

 

Схема высокочастотного усилительного каскада с ОБ с цепью обратной связи на базе широкополосного трансформатора

Рис. 5.23. Схема высокочастотного усилительного каскада с ОБ с цепью обратной связи на базе широкополосного трансформатора

 

На практике широкое распространение получили схемы, аналогичные представленной на рис. 5.23. Здесь обратная связь обеспечивается через отдельную обмотку высокочастотного широкополосного трансформатора. Конструктивные и электрические особенности таких трансформаторов уже достаточно подробно описывались при рассмотрении усилительных каскадов с ОЭ. Напомнить, пожалуй, стоит лишь о том, что для высокочастотного сигнала равномерно скрученные проводники выступают как линия связи с определенным волновым сопротивлением, причем это сопротивление имеет чисто активный характер. Т.е. между одноименными (конструктивно совпадающими) выводами трансформатора на эквивалентной схеме будут присутствовать резистивные элементы.

 

Эквивалентная схема усилительного каскада с ОБ с трансформаторной обратной связью

Рис. 5.24. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОБ с трансформаторной обратной связью (рис. 5.24)

 

Полная эквивалентная схема каскада с рис. 5.23 для переменных составляющих токов и напряжений представлена на рис. 5.24. Работа схемы может быть описана следующей линейной системой уравнений:

\( \begin{aligned} &{I_{вх}}_\sim = n {I_{\gamma 2}}_\sim + n {I_{\gamma 3}}_\sim + {I_L}_\sim \\  &{I_{вх}}_\sim = {I_Э}_\sim + {I_{\gamma 1}}_\sim - {I_{1}}_\sim + {I_L}_\sim  \\ &{U_{вх}}_\sim = {e_с}_\sim - {I_{вх}}_\sim R_Г \\ &{U_Э}_\sim = {U_{вх}}_\sim - {U_{ОС}}_\sim \\ &{I_{\gamma 3}}_\sim = {I_{\gamma 2}}_\sim + {I_Н}_\sim + {I_1}_\sim \\ &{U_Э}_\sim = r_{вх} {I_Э}_\sim \\ &{U_Э}_\sim = {I_{\gamma 1}}_\sim Z_л \\ &{U_{вх}}_\sim = {I_L}_\sim Z_L \\ &\alpha {I_Э}_\sim = {I_2}_\sim - {I_{\gamma 2}}_\sim \\ &{U_Н}_\sim = {I_1}_\sim Z_л + {U_Э}_\sim \\ &{I_2}_\sim = {I_3}_\sim \\ &{U_Н}_\sim = {I_3}_\sim Z_л \\ &{U_Н}_\sim = n {U_{ОС}}_\sim \\ &{U_Н}_\sim = {I_Н}_\sim R_Н \end{aligned}\) 

где \(r_{вх}\) — входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ, равное согласно (5.19):

\( r_{вх} = r_э + \left( 1 - \alpha \right) r_б \).

 

Все представленные далее расчетные соотношения получаются при решении данной системы уравнений.

 

Учитывая, что эквивалентное сопротивление индуктивности \(L1\) для высокочастотных сигналов в рабочей полосе частот очень высоко, мы можем исключить из дальнейшего рассмотрения анализ процессов в ветви \(L1\), \(R_Э\) и предположить: \(Z_L \to \infty\), \(I_L \to 0\).

 

Входное сопротивление (\(R_{вх}\)) эквивалентной схемы, представленной на рис. 5.24, определяется соотношением:

\( R_{вх} = \cfrac{r_{вх} R_Н \left( 2 + n \left( 2 + 3n \right) \right) + n^2 r_{вх} Z_л + R_Н Z_л \left( 1 + 2 n \alpha \right)}{n^2 \left[ \cfrac{r_{вх}}{Z_л} \left( 5 R_Н + 2 Z_л \right) + Z_л + R_Н \left( 3- 2 \alpha \right) \right]}\).   (5.24)

 

Видно, что абсолютное значение входного сопротивления так или иначе зависит от множества факторов. На некоторые из них мы можем влиять, изменяя конструктивные параметры каскада (\(Z_л\), \(n\), \(R_Н\)), а некоторые целиком определяются свойствами примененного транзистора (\(\alpha\), \(r_{вх}\)).

На рис. 5.25, 5.26 представлены зависимости (точнее, области возможного расположения зависимостей) относительного изменения входного сопротивления при изменениях коэффициента трансформации \(n\) и волнового сопротивления скрученных проводников трансформатора \(Z_л\) (в случае, описанном на рис.5.23, \(Z_л \approx {70...100 Ом}\)). При построении обоих графиков предполагается, что сопротивление нагрузки \(R_Н\) согласовано с выходным сопротивлением каскада (т.е., \(R_Н = R_{вых}\)).

 

Зависимость относительного изменения входного сопротивления от коэффициента трансформации при согласованной нагрузке

Рис. 5.25. Зависимость относительного изменения входного сопротивления от коэффициента трансформации при согласованной нагрузке

 

Зависимость относительного изменения входного сопротивления от относительного изменения параметра \(Z_л\) широкополосного трансформатора при согласованной нагрузке

Рис. 5.26. Зависимость относительного изменения входного сопротивления от относительного изменения параметра \(Z_л\) широкополосного трансформатора при согласованной нагрузке

 

Как видно из рис. 5.25, введение в усилительный каскад с ОБ цепи реактивной ООС на базе широкополосного трансформатора приводит к некоторому росту входного сопротивления. Причем по мере увеличения глубины ООС (по мере уменьшения \(n\)) входное сопротивление продолжает расти. В общем случае можно констатировать, что (при применении одних и тех же элементов) в каскаде с ООС (рис. 5.23) входное сопротивление увеличивается примерно в 1,5...2,5 раза по сравнению с входным сопротивлением схемы без цепи обратной связи (рис. 5.21).

Выше мы отмечали, что входное сопротивление \(r_{вх}\) высокочастотных транзисторов в схеме с ОБ обычно лежит в диапазоне 20...100 Ом. Однако это более или менее соблюдается только для достаточно маломощных (~100 мВт) германиевых и кремниевых приборов. В приборах с рассеиваемой мощностью 200...300 мВт входное сопротивление в схеме с ОБ может составлять единицы ом, а при мощности около 1 Вт и выше — десятые доли ома. В таких случаях применение схемы с ОБ в виде, представленном на рис. 5.21, становится крайне затруднительным даже в высокочастотных усилителях. Поэтому увеличение входного сопротивления, достигаемое в каскаде с трансформаторной ООС (рис. 5.23), оказывается как нельзя кстати. Более того, анализ формулы (5.24) показывает, что при уменьшении rвх эта величина практически перестает влиять на полное входное сопротивление усилителя, которое теперь целиком определяется значениями \(n\) и \(Z_л\). А если сейчас взглянуть на рис. 5.26, то можно видеть, что именно конструктивный параметр трансформатора \(Z_л\) более всего воздействует на \(R_{вх}\).

В высокочастотных устройствах широкое распространение получила 50-омная техника. При построении усилителя с ОБ по схеме на рис. 5.23 значение \(R_{вх} \approx {50 Ом}\) может оказаться недостижимым из-за технологических ограничений. В этом случае на входе каскада добавляется еще один согласующий широкополосный трансформатор, как это показано на рис. 5.27. Коэффициент трансформации такого трансформатора может оказаться как больше, так и меньше единицы (обычно \(n_2 = {0,7...1,3}\)), в зависимости от того, какой вид рассогласования (\(R_{вх} > {50 Ом}\) или \(R_{вх} < {50 Ом}\), где \(R_{вх}\) — входное сопротивление каскада без дополнительного согласующего трансформатора) мы устраняем. Следует только помнить, что дополнительный трансформатор неизбежно вносит некоторое затухание в полезный сигнал (~0,5...1 дБ) и ухудшает шумовые свойства усилителя.

 

Высокочастотный усилительный каскад с дополнительным согласующим трансформатором на входе

Рис. 5.27. Высокочастотный усилительный каскад с дополнительным согласующим трансформатором на входе

 

Отрицательной чертой анализируемого каскада является зависимость входного сопротивления от сопротивления нагрузки (вообще, влияние параметров выходной цепи на входные параметры присуще всем типам усилителей с обратными связями). Это означает, что при возникновении рассогласования на выходе автоматически возникает рассогласование и по входу. Т.е. в многокаскадном усилителе, построенном на базе схемы с рис. 5.23 или 5.27, при любых проблемах на выходе будет наблюдаться цепной эффект, приводящий к значительному снижению общего коэффициента усиления мощности.

Как будет показано в дальнейшем, конструктивные особенности широкополосного трансформатора в цепи ООС оказывают большое влияние не только на входное сопротивление, но и на многие другие свойства рассматриваемого каскада. Причем заметим, что значение здесь имеют не только свойства линии, образуемой скрученными обмотками (\(Z_л\)), но и характер размещения этих обмоток на сердечнике и друг относительно друга.

 

Выходное сопротивление (\(R_{вых}\)) усилительного каскада, эквивалентная схема которого представлена на рис. 5.24, при условии полного согласования на входе (\(R_{вх} = R_Г\)) и выходе (\(R_Н = R_{вых}\)) находится по формуле:

\( R_{вых} = \sqrt{\cfrac{n^2 r_{вх} Z_л^2 \left( 2 r_{вх} + Z_л \right)}{\left[ 5 r_{вх} + Z_л \left( 3 - 2 \alpha \right) \right] \left[ r_{вх} \left( 2 + n (2 + 3n) \right) + Z_л + 2 n Z_л \alpha \right]}}\).    (5.25)

 

Анализ формулы (5.25) показывает, что свойства выходного сопротивления рассматриваемого каскада во многом схожи с описанными выше свойствами входного сопротивления. Наибольшее значение здесь по-прежнему имеют конструктивные параметры широкополосного трансформатора. Характер зависимостей относительного изменения выходного сопротивления от относительного изменения величины \(Z_л\) при различных значениях \(n\), \(r_{вх}\) и \(\alpha\) совершенно аналогичен тому, что изображено на рис. 5.26 для относительного изменения входного сопротивления. Величина входного сопротивления транзистора в схеме с ОБ \(r_{вх}\) может сколь-либо существенно влиять на выходное сопротивление усилителя только в том случае, когда она имеет тот же или больший порядок, что и величина волнового сопротивления \(Z_л\). И наконец, глубина обратной связи (определяемая коэффициентом трансформации \(n\)) также может оказывать некоторое незначительное воздействие на выходное сопротивление, которое будет почти линейно снижаться по мере уменьшения \(n\).

Следует отметить, что одна из основных функций широкополосного трансформатора в рассматриваемом каскаде состоит в обеспечении согласования на выходе. Поэтому для получения требуемого выходного сопротивления его конструкция (количество и конфигурация обмоток) может претерпевать значительные изменения. Например, в схеме на рис. 5.28 используется высокочастотный трансформатор с шестью обмотками, а выход сигнала симметричен.

 

Высокочастотный усилительный каскад с ОБ с цепью обратной связи на базе широкополосного трансформатора с симметричным выходом

Рис. 5.28. Высокочастотный усилительный каскад с ОБ с цепью обратной связи на базе широкополосного трансформатора с симметричным выходом

 

Коэффициент усиления по напряжению (\({K_U}_\sim\)) схемы на рис. 5.24 определяется по формуле:

\( {K_U}_\sim = \cfrac{U_Н}{U_{вх}} = \stackrel{R_{вх} = R_Г}{=} 2 \cfrac{U_Н}{e_с} = \)

\(=\cfrac{n R_Н \left[ r_{вх} (2 + n ) + Z_л + 2nZ_л\alpha \right]}{r_{вх} R_Н \left( 2 + n (2+ 3n) \right) + n^2 r_{вх} Z_л + R_Н Z_л (1 + 2 n \alpha)} \) .    (5.26)

 

Коэффициент усиления по току (\({K_I}_\sim\)):

\( {K_I}_\sim = \cfrac{I_Н}{I_{вх}} = \cfrac{Z_л \left[ r_{вх} (2+n) + Z_л + 2nZ_л \alpha \right]}{n \left[ r_{вх} \left( 5 R_Н + 2 Z_л \right) + Z_л \left( Z_л + R_Н (3-2 \alpha) \right) \right]}\).    (5.27)

 

Коэффициент усиления по мощности (\({K_P}_\sim\)) находится перемножением соотношений (5.26), (5.27):

\( {K_P}_\sim = \cfrac{R_Н Z_л {\left( r_{вх} (2+n) + Z_л + 2nZ_л \alpha \right)}^2 }{r_{вх} \left( 5 R_Н + 2 Z_л \right) + Z_л \left( Z_л + R_Н (3 - 2 \alpha) \right)} \cdot \)

\( \cdot \cfrac{1}{r_{вх} R_Н \left( 2+ n (2+3n) \right) + n^2 r_{вх} Z_л + R_Н Z_л (1 + 2 n \alpha )} \).    (5.28)

 

На рис. 5.29, 5.30 представлены графики зависимостей коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности от значения коэффициента трансформации \(n\) при условии полного согласования по входу и выходу и от величины напряжения нагрузки \(R_Н\) при согласовании на входе. При детальном рассмотрении всех этих графиков видно, что они ни в чем не противоречат здравому смыслу. Действительно, увеличение глубины ООС (уменьшение \(n\)) ведет к падению коэффициента усиления по мощности, о чем мы уже не раз говорили выше. Заметим, кстати, что данное падение достаточно плавное, сопровождается повышением устойчивости и расширением динамического диапазона усилителя. Кроме того, общий коэффициент усиления по мощности зависит от величины сопротивления нагрузки. Максимум усиления достигается, когда сопротивление нагрузки согласовано с выходным импедансом усилителя (\(R_{Н опт} = R_{вых}\)). Причем некоторое увеличение сопротивления нагрузки от оптимального значения влияет на коэффициент усиления каскада в гораздо меньшей мере, чем уменьшение этого сопротивления.

 

Пример зависимостей коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности от коэффициента трансформации n для усилительного каскада по схеме на рис. 5.23 при полном согласовании по входу и выходу

Рис. 5.29. Пример зависимостей коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности от коэффициента трансформации n для усилительного каскада по схеме на рис. 5.23 при полном согласовании по входу и выходу

 

Зависимости коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности от сопротивления нагрузки для усилителя по схеме на рис. 5.23

Рис. 5.30. Зависимости коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности от сопротивления нагрузки для усилителя по схеме на рис. 5.23

 

В заключение отметим еще одну важную особенность каскада с трансформаторной обратной связью по схеме на рис. 5.23. Анализ полученных соотношений для всех параметров каскада показывает, что они крайне слабо зависят от величины коэффициента передачи тока эмиттера \(\alpha\) применяемого транзистора (вообще говоря, данное свойство в некоторой мере присуще всем видам усилителей с ОБ, но здесь оно выражается особенно сильно). Это означает, что характеристики схемы практически полностью определяются ее топологией, а не параметрами конкретного экземпляра транзистора. Кроме того, в значительно меньшей мере проявляются частотные зависимости параметров каскада, поскольку влияние на них частотных свойств транзистора минимально. Как результат мы имеем очень равномерную амплитудно-частотную характеристику в широкой полосе частот.

Отрицательной чертой рассматриваемой схемы (рис. 5.23), несмотря на наличие внутрикаскадной ООС, остается ее потенциальная неустойчивость и относительно узкий динамический диапазон. Для уменьшения вероятности возбуждения каскада на вывод коллектора транзистора может надеваться маленькое ферритовое колечко.

Иногда забываемым недостатком каскада с ОБ с трансформаторной ООС является высокий коэффициент передачи с выхода на вход. Заметим, что в отличие от рассмотренного ранее похожего усилителя с ОЭ здесь обмотка обратной связи включается непосредственно во входную цепь и ее влияние на источник сигнала гораздо выше. Во многих случаях обратное прохождение сигнала может вызвать значительные нелинейные искажения, нарушение устойчивости и ухудшение многих других характеристик усилителя. Поэтому при проектировании схем всегда необходимо следить за возможностью такого прохождения и использовать специальные заградительные цепи, если это необходимо.

Выше мы не раз отмечали, что в высокочастотных каскадах цепи задания смещения по постоянному току могут быть полностью отделены от сигнальных цепей. Схема с ОБ в этом плане наиболее показательна, поскольку здесь обычно приходится использовать различные виды включения транзистора для постоянного и переменного токов. По постоянному току это может быть включение с ОЭ или с ОК, а по переменному, естественно, с ОБ. Причем на работу транзистора в полосе частот усиливаемого сигнала способ задания смещения влияния не оказывает (значение имеет только стабильность рабочей точки). Таким образом, схема на рис. 5.23 отражает лишь один из возможных вариантов построения усилительного каскада. На практике могут применяться любые рассмотренные ранее способы задания смещения и стабилизации рабочей точки по постоянному току (например, показанные на рис. 5.31). При этом все приведенные соотношения для параметров каскада в рабочей полосе частот остаются неизменными.

 

Примеры усилителей с ОБ с различными цепями смещения

Рис. 5.31. Примеры усилителей с ОБ с различными цепями смещения

 

 

 



Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники