Выходные каскады. Выбор каскада. Принципиальные схемы трансформаторных выходных каскадов

4. ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ

4.1. Выбор каскада

Выбор вида выходного каскада определяется назначением усилителя. Так, в усилителях мощности (низкой частоты) выходной каскад должен отдавать в нагрузку необходимую мощность при допустимом уровне нелинейных искажений и минимальном потреблении энергии от источника питания. Поэтому в качестве выходных  рекомендуется использовать бестрансформаторные или трансформаторные каскады усиления мощности. 

                            а)                                                          б)

Рис.4.1. Принципиальные схемы трансформаторных  выходных каскадов

а) однотактный; б) двухтактный

Трансформаторные каскады  (Рис.4.1) целесообразнее  использовать в основном в тех случаях, когда требуемое выходное напряжение превышает напряжение источника питания или имеются сложности выбора транзистора с высоким уровнем допустимого напряжения U_kдоп. При использовании трансформаторных каскадов необходимо учитывать потери мощности в трансформаторе, вследствие чего расчетное значение отдаваемой каскадом мощности должно быть увеличено на величину коэффициента полезного действия (КПД) трансформатора 

P

Pm = h ^н .                                                         (4.1) тр

Величина принимаемого КПД трансформатора зависит от типа аппаратуры и значения выходной мощности рассчитываемого каскада.

Таблица

Значения коэффициента полезного действия трансформаторов

Бестрансформаторные каскады имеют ряд преимуществ перед трансформаторными, основными из которых являются меньшие габариты и вес, вносимые искажения. Двухтактные каскады могут быть построены  на транзисторах одного вида проводимости, на комплементарных, на составных комплементарных и составных квазикомплементарных транзисторах. На рис.4.2 приведены упрощенные схемы бестрансформаторных каскадов с транзисторами одного типа проводимости. 

Рис.4.2. Схемы бестрансформаторных каскадов

Выбор конкретной схемы диктуется величиной отдаваемой каскадом мощности и набором имеющихся транзисторов. При проектировании двухтактных каскадов обязательным условием является необходимость подбора транзисторов с одинаковыми параметрами, введения элементов защиты оконечных транзисторов от короткого замыкания. Если выбрана схема с транзисторами одного вида проводимости или двухтактная трансформаторная схема, то в качестве предварительного каскада должен быть установлен фазоинверсный. 

При выборе схемы оконечного каскада одновременно учитываются способы включения транзисторов. Наибольшее распространение получили схемы включения с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Первая имеет наибольшее усиление по напряжению и мощности, но вносит большие нелинейные искажения, для снижения которых требуется введение отрицательной обратной связи.

В широкополосных и импульсных усилителях вид выходного каскада определяется величиной сопротивления нагрузки. При работе каскада на низкоомную нагрузку или кабель в качестве выходного целесообразнее всего применять эмиттерный или истоковый повторители. В том случае, когда нагрузка представлена в виде несогласованного кабеля,  предварительно требуется определить его эквивалентную емкость, которая зависит от длины кабеля L, его волнового сопротивления ρ или погонной емкости С_о. С учетом указанных параметров эквивалентная емкость нагрузки равна

                                      С_н =  L = C_o⋅L .                                      (4.2)

При высокоомной нагрузке (большим активным сопротивлением и малой емкостью) целесообразно использовать каскады с общим эмиттером. Для  уменьшения вносимых искажений в области высоких частот  (малых времен) требуется введение в схему простой высокочастотной коррекции индуктивностью.

При работе усилителя на симметричную нагрузку возможно применение двухтактных схем в режиме класса “А” или дифференциальных каскадов (с эмиттерной связью). 

4.2. Выбор активных элементов

Поскольку для выходных каскадов усилителей мощности (низкой частоты) определяющим параметром является величина отдаваемой в нагрузку мощности P_m, то выбор транзистора производится по величине его допустимой мощности рассеяния на коллекторе P_kдоп. Конкретные условия выбора зависят от класса работы каскада. Для однотактных каскадов, работающих в режиме класса “А”, 

P_kдоп = 3 ÷ 4 P_m.                                              (4.3)

Для двухтактных каскадов, работающих в режимах класса “B” или 

“AB” соответственно

P_kдоп = 0,25 ÷ 0,4 P_m,                                      (4.4)