Каскадный широкополосный усилитель мощности

Каскодные усилители

Каскодное включение полевого и биполярного транзисто­ров позволяет получить сочетание лучших свойств тех и других транзисторов.

На рис. 5.1 — 5.6 приведены отобранные практикой схемы соединения полевого и биполярного транзисторов, систематизи­рованные в сборнике схем Б.И. Горошкова. Они имеют высокое, характерное для полевых транзисторов, входное сопротивление и низкое, присущее биполярным транзисторам, выходное.

Коэффициент усиления (передачи) таких каскадов мож­но вычислить по приводимым в главе 3 формулам. В этих формулах Ку и — коэффициент усиления каскада по напря­жению; h213 (или (3) — коэффициент передачи биполярного транзистора по току; S — крутизна характеристики полево­го транзистора (мА/В) RH — сопротивление нагрузки (кОм).

Ориентировочные, численные значения h213 и S можно найти в справочниках или паспортных данных (см. Приложение);

реальные же значения могут заметно отличаться от «теоре­тических».

Как следует из сопоставления формул, каскады усиления (рис. 5.1, 5.3, 5.5, 5.6) имеют коэффициент усиления (передачи), равный произведению отдельно взятых коэффициентов передачи транзисторов, входящих в каскад. Каскады (рис. 5.2, 5.4) имеют коэффициент передачи, практически равный единице.

Каскодное (двух, трех или более «этажное» включение полевых и/или биполярных транзисторов) позволяет простыми средствами добиться высокого коэффициента передачи, осла­бить проникновение входного сигнала на выход усилителя, уп­ростить схему в целом, повысить устойчивость ее работы, повысить максимальное значение напряжения питания и ам­плитуду выходного сигнала, соответственно. «Двухэтажные» каскодные усилители требуют удвоения напряжения питания по сравнению с обычным включением транзисторов, при этом ток, потребляемый схемой, снижается вдвое.

Рис. 5.7. Эквивалент К140УД7

На рис. 5.7 показана схема, позволяющая проимитиро- вать довольно сложную по внутренней структуре аналоговую микросхему низкочастотного усилителя К140УД7 [Р 1/79-44]. Полноценной такую замену считать, разумеется, не следует (особенно в части коэффициента усиления). Однако использо­вание эквивалента микросхемы, выполненного на дискретных элементах, в ряде случаев может быть оправдано. Резистор R2 подбирают до установления на выходе аналога микросхе­мы нулевого напряжения при питании устройства от двухпо- лярного источника.

Каскодные схемы широкополосных усилителей на поле­вых и биполярных транзисторах, включенных последовательно по постоянному току, приведены на рис. 5.8 — 5.16 [А.Г. Ми- пехин, Р 9/72-38]. В качестве динамической нагрузки полевого транзистора VT1 используется активный элемент — полевой или биполярный транзистор VT2, внутреннее сопротивление которого зависит от амплитуды сигнала на стоке транзис­тора VT1.

Транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком, тран­зистор VT2 — с общим стоком (рис. 5.8 — 5.10). При таком со­четании первый каскад имеет коэффициент усиления по напряжению близкий к единице, благодаря чему он обладает большим запасом устойчивости. Кроме того, схема с общим ис­током обладает значительным коэффициентом усиления по мощности, что способствует снижению шума двухкаскадного усилителя. Второй каскад, обладая большим коэффициентом устойчивого усиления, позволяет получить необходимое усиле­ние по напряжению.

Наиболее простая схема (рис. 5.8) содержит всего 5 элемен­тов, включая переходные конденсаторы. Несколько усложненный вариант усилителя (с включением в цепь истока каждого полевого транзистора сопротивления смещения) показан на рис. 5.9.

Для расширения частотного диапазона входного сигнала в качестве сопротивления в цепи истока верхнего (по схеме на рис. 5.10) полевого транзистора дополнительно может быть включен высокочастотный дроссель — элемент, реактивное сопротивление которого возрастает с ростом частоты.

Коэффициент усиления каскада в области низких частот (рис. 5.8) при использовании полевых транзисторов типа КП103Ж достигает 40 дБ при низком уровне шумов.

Коэффициент усиления по напряжению в диапазоне низ­ких частот (от 10 Гц до 10 кГц) каскада на рис. 5.9 составля­ет 130 [А.Г. Милехин]. Максимальный выходной сигнал при напряжении питания 9 В может доходить до 1,4 В. Схема на рис. 5.11 имеет динамическую нагрузку полевого транзистора, в качестве которой применен биполярный транзистор.

Основные характеристики схемы (рис. 5.11) соответствуют аналогичным для схемы (рис. 5.9), коэффициент усиления по на­пряжению незначительно возрастает, но в целом схема заметно усложняется.

На рис. 5.12 показан пример практической реализации уси­лительного каскада, выполненного на основе полевого и биполяр­ного транзисторов (см. также рис. 5.1).

В соответствии со сведениями, систематизированными в литературе [Р 9/72-38], можно привести сводную таблицу 5.1, характеризующую свойства каскодных усилителей в сопостави­мых условиях измерения (для транзисторов КП103М), см. рис. 5.8 — 5.10, 5.13 — 5.16.

Каскадный широкополосный усилитель мощности

Многоэтажный каскодный линейный усилитель мощности однополосных сигналов.

Современная элементная база позволяет радиолюбителям создавать приемопередающие устройства, трансиверы коротковолнового диапазона обладающие высокими техническими параметрами и в частности с хорошо сформированным однополосным сигналом. Сформированный сигнал перед его подачей в антенну необходимо усилить до требуемого уровня, причем так, чтобы при этом сохранились неизменными все основные характеристики однополосного сигнала и не возникли дополнительные нелинейные искажения. Для усиления сигнала до необходимого уровня можно использовать транзисторные или ламповые усилители, как правило, многокаскадные, ибо одного каскада усиления оказывается недостаточно. Чем больше каскадов усиления, тем больше вероятность получить искаженный сигнал. Уменьшить же количество каскадов усиления за счет увеличения коэффициента усиления каждого из них не удается из-за создания условий для самовозбуждения.

В радиолюбительской практике используются выходные каскады усилителей мощности радиопередающих устройств выполненные по каскодной схеме транзистор + лампа, так называемые “гибридные” каскады. Существует мнение, что в таких усилителях невозможно получить линейное усиление сигнала. Такого же мнения на протяжении длительного времени был и автор статьи, но более двух лет тому назад, после дискуссий на техническом круглом столе, автор провел серию экспериментов с усилителями выполненными по каскодной схеме и пришел к выводу, что идея имеет право на существование, а качество работы усилителя зависит от правильного выбора элементов и тщательности настройки самого усилителя.

В усилителях собранных по каскодной схеме внутренняя обратная связь между выходом и входом осуществляется через последовательную цепь, благодаря чему проводимость внутренней обратной связи значительно уменьшается (от 100 до 2000 раз), а устойчивое усиление возрастает соответственно от 10 до 100 раз, причем без применения дополнительных мер по нейтрализации. В таких каскадах коэффициент усиления по напряжению равен коэффициенту усиления по напряжению второго каскада, а коэффициент усиления по мощности равен коэффициенту усиления по мощности первого каскада. Исходя из вышеизложенного, в каскодных усилителях необходимо применять элементы: полевой транзистор + лампа. Биполярные транзисторы малопригодны для работы в каскодной схеме с мощными лампами из-за плохой линейной характеристики, здесь необходимы полевые транзисторы имеющие большое напряжение исток-сток, хорошую линейность, малую входную емкость, достаточно большой ток стока. Среди известных автору транзисторов отечественного производства в настоящее время полевых транзисторов обладающих всеми перечисленными требованиями нет, а среди зарубежных, есть достаточно мощные, но, к сожалению, они обладают значительными входными емкостями (600-1000 пФ). Как выход из создавшегося положения разработана необычная “многоэтажная” каскодная схема усилителя.

По мнению автора для реализации такой схемы наиболее подходят планарные полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа КП901А (напряжение сток-исток 70 В, входная емкость 10–50 пФ, ток стока 4 А, обладает хорошей линейной характеристикой начиная с тока 10–20 мА).

Вниманию читателя предлагается разработанный и испытанный на практике “Многоэтажный каскодный линейный усилитель мощности однополосных сигналов”. Схема позволяет использовать одну или две лампы ГК-71, ГУ-13 и им подобные или одну ГУ-80, ГУ-81М.

Основные характеристики усилителя на двух лампах ГУ-13:

диапазон частот от 1,4 до 30 МГц;

подводимая мощность в режиме несущей 580 Вт;

выходная мощность в режиме несущей 360 Вт (320 Вт на 30 МГц);

уровень комбинационных искажений третьего порядка не хуже минус 32 дБ;

входное сопротивление 75 Ом;

выходное сопротивление 50–75 Ом;

мощность возбуждения 0,33 Вт;

ВЧ напряжение на входе

усиление по мощности 30,4 дБ.

В усилителе (рис.1) используются три транзистора КП901А и две лампы ГУ-13. Блок питания анодной цепи должен обеспечить необходимую мощность, иметь низкое динамическое сопротивление, т.е. емкость фильтра должна быть в пределах 50 – 100 мкФ. Анодное напряжение 2000 – 3000 В. Для питания экранных сеток ламп необходимо иметь стабилизированное напряжение 250 – 300 В. Стабилизированный регулируемый источник напряжения смещения выполнен на VD1, VD2, VT1.Транзисторы КП901А (2П901А) перед установкой в схему желательно подобрать по начальному току стока 0–30 мА, а затем по совпадению характеристик в точках 20–30 мА и 500–600 мА с точностью ±10%. ГУ-13 также должны быть с близкими параметрами.

Для защиты VT2-VT3 от перенапряжения и пробоя предусмотрена схема защиты, состоящая из цепочки диодов (VD5-VD9) и стабилитронов (VD10-VD11), включенной параллельно транзисторам.

Читайте также:  6.2.5. возможные модификации

Несколько необычно выглядит и колебательная система усилителя, т.к. автор применил комбинированное (последовательно-параллельное) питание генератора. На диапазонах 28;24;21 МГц – комбинированная, а на остальных – параллельная схема питания. В реальной конструкции при использовании параллельной схемы питания анодной цепи ламп и высоком выходном сопротивлении каскада практически невозможно изготовить П контур с оптимальными параметрами для работы на высокочастотных диапазонах – сказываются емкости ламп, монтажа, анодного дросселя и начальная емкость анодного конденсатора. Схема двойного П контура примененная в усилителе устраняет указанные недостатки и эффективно подавляет гармоники.

На рис.2 приведена эквивалентная схема колебательной системы усилителя для работы в диапазоне 28 МГц из которой видно,что на этом диапазоне используется катушка L8 “28”, образующая совместно с выходными емкостями ламп Сл и конденсатором С25 П контур для диапазона 28 МГц. Этот контур подключен к общему (основному) П контуру усилителя состоящему из С25, L (L12, L13, в положении S1 – 28) и С26.

При переходе на диапазоны 24 и 21 МГц в П контуре задействованы часть витков катушки L12, а анодный конденсатор С25 фактически подключается к отводу катушки образованной последовательным соединением катушек L8 “28” и L12. Такое включение снижает влияние емкостей ламп и дросселя на контур и позволяет получить хорошие результаты при работе на диапазонах 24 и 21 МГц.

На более низкочастотных диапазонах, 18 МГц и ниже, влияние индуктивности катушки L8 “28” незначительно и схема приобретает вид классического П контура при параллельном питании ламп.

Недостатком схемы двойного П контура является повышенная сложность его настройки. При желании можно использовать обычное включение П контура с последовательным питанием для диапазона 28 МГц . В этом случае при работе на диапазоне 28 МГц необходимо использовать отвод обозначенный на принципиальной схеме как 28*, а отвод обозначенный как 28 не задействуется.

Предусмотрена система повышения надежности работы антенного реле при переключении антенны на прием. В этом режиме даже реле с контактами, содержащими драгоценные металлы, не всегда обеспечивает надежный контакт. Для устранения этого явления через контакты в режиме приема протекает ток 2–3 мА, т.е. при переключении присутствует так называемый эффект “микросварки” и тем самым обеспечивается надежный контакт.

Транзисторная часть усилителя выполнена в виде отдельного блока размером 80 х130 х 50 мм (рис.3). Транзисторы укреплены на радиаторе размером 80 х 130 х 25 мм, монтаж навесной и закрыт в коробку прикрепленную к радиатору. Блок установлен с внешней стороны усилителя на задней стенке (рис.4 – эскиз расположения основных деталей усилителя). Для устранения передачи тепла от задней стенки усилителя мощности на радиатор транзисторной части между ними имеется воздушный зазор 10 мм.

Каскодный усилитель

Хотя усилитель с ОБ (с общей базой) известен большей широкополосностью по сравнению со схемой с ОЭ (с общим эмиттером), для многих приложений низкое входное сопротивление (десятки Ом) схемы с ОБ является ограничением. Решение заключается в том, чтобы перед каскадом с ОБ с низким коэффициентом усиления поставить каскад с ОЭ, который обладает высоким входным сопротивлением (килоомы). Смотрите рисунок ниже. Каскады каскодной схемы включены последовательно, а не каскадно, как в стандартной схеме усилителя. Для примера каскадного усилителя смотрите схему «Разделительные конденсаторы, объединяющие три усилительных каскада с общим эмиттером» в последующем разделе «Соединение входов и выходов» данной главы. Схема каскодного усилителя обладает и широкополосностью, и умеренно высоким входным сопротивлением.

Каскодный усилитель состоит из усилителей с общим эмиттером и общей базой. На рисунке приведен эквивалент по переменному току, когда батареи питания и конденсаторы заменены перемычками

Ключом к пониманию широкополосности каскодной схемы является эффект Миллера. Эффект Миллера – это умножение широкополосной ёмкости коллектор-база на коэффициент усиления по напряжению AV. Эта емкость коллектор-база меньше емкости эмиттер-база. Таким образом, можно было бы подумать, что емкость коллектор-база будет оказывать слабое влияние. Однако в схеме с общим эмиттером выходной сигнал на коллекторе противоположен по фазе входному сигналу на базе. Сигнал на коллекторе противодействует через емкостную обратную связь сигналу на базе. Кроме того, обратная связь коллектора в (1 – AV) больше сигнала на базе. Имейте в виду, что AV является отрицательным числом для инвертирующего усилителя с общим эмиттером. Таким образом, небольшая емкость коллектор-база становится в (1 + |AV|) больше, чем ее фактическое значение. Это увеличение емкости уменьшает обратную связь по мере увеличения частоты, уменьшая отклик на высоких частотах у усилителя с общим эмиттером.

Примерный коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером на рисунке ниже равен –Rнагр/rЭ. Ток эмиттера с помощью смещения установлен на 1,0 мА. rЭ = 26мВ/IЭ = 26мВ/1.0мА = 26 Ом. Таким образом, AV = –Rнагр/rЭ = –4700/26 = -181. В техническом описании pn2222 указано CКБ = 8 пФ. Емкость Миллера равна CКБ(1 – AV). Коэффициент усиления AV = -181, отрицательное значение, так как это инвертирующий усилитель. CМиллер = CКБ(1 – AV) = 8пФ(1 – (–181)) = 1456пФ.

Схема с общей базой не зависит от эффекта Миллера, поскольку заземленная база экранирует сигнал коллектора от подачи обратно на эмиттерный вход. Таким образом, усилитель с общей базой обладает более высокочастотной характеристикой. При этом по-прежнему желательно использование каскада с общим эмиттером для получения относительно высокого входного сопротивления. Цель состоит в том, чтобы уменьшить коэффициент усиления каскада с общим эмиттером (до примерно 1), что уменьшит эффект Миллера обратной связи коллектор-база до 1 · CКБ. Суммарная емкость обратной связи коллектор-база равна емкости обратной связи 1 · CКБ плюс реальная емкость CКБ, что в итоге дает 2 · CКБ. Это дает значительное уменьшение со значения 181 · CКБ. Емкость Миллера для коэффициента усиления –2 каскада с общим эмиттером равна CМиллер = CКБ(1 – AV) = CКБ(1 – (–1)) = CКБ · 2.

Способ уменьшения коэффициента усиления схемы с общим эмиттером заключается в уменьшении сопротивления нагрузки. Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером примерно равен RК/RЭ. Внутреннее сопротивление rЭ при токе эмиттера 1 мА составляет 26 Ом. Расчет rЭ смотрите выше. Нагрузка коллектора RК представляет собой сопротивление эмиттера каскада с общей базой, который является нагрузкой каскада с общим эмиттером, и это снова 26 Ом. Коэффициент усиления каскада с общим эмиттером примерно равен AV = RК/RЭ = 26/26 = 1. Емкость Миллера равна CМиллер = CКБ(1 – AV) = 8пФ(1 – (–1)) = 16пФ. Теперь мы имеем относительно высокое входное сопротивление каскада с общим эмиттером, устранив влияние эффекта Миллера, однако без усиления по напряжению. Каскад с общей базой обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, AV = –181. Коэффициент усиления по току каскодной схемы равен β для каскада с общим эмиттером и 1 для каскада с общей базой, что в итоге дает β. Таким образом, каскодная схема имеет относительно высокое входное сопротивление схемы с общим эмиттером, хорошее усиление и широкую полосу пропускания схемы с общей базой.

SPICE: для сравнения каскодной схемы и каскада с общим эмиттером

На рисунке выше показаны схемы каскодного усилителя и усилителя с общим эмиттером для сравнения в SPICE. Список соединений приведен ниже. Источник переменного напряжения V3 управляет обоими усилителями через узел 4. Резисторы смещения для этой схемы вычисляются в примере каскодной схемы в разделе «Расчеты смещения» этой главы.

Осциллограммы SPICE. Обратите внимание, что входной сигнал для наглядности умножен на 10

Список соединений SPICE для печати входных и выходных переменных напряжений.

Осциллограммы на рисунке выше показывают работу каскодного усилителя. Входной сигнал показан умноженным на 10, так чтобы он был виден совместно с выходными сигналами. Обратите внимание, что в каскодной схеме, в каскаде с общим эмиттером, сигнал Va инвертирован относительно входного сигнала. Выходные сигналы и в каскодной схеме, и в усилителе с общим эмиттером имеют большую амплитуду. Точка Va имеет смещение по постоянному напряжению примерно на 10 В, примерно посередине между 20 В и землей. Сигнал больше, чем можно было бы объяснить коэффициентом усиления каскада с общим эмиттером, равным 1. Он в три раза больше, чем ожидалось.

Сравнение ширины полосы пропускания у каскодного усилителя и каскада с общим эмиттером

На рисунке выше показаны амплитудно-частотные характеристики каскодной схемы и схемы с общим эмиттером. Операторы SPICE, отвечающие за AC анализ, извлечены из листинга:

Обратите внимание, что ” ac 1 ” является обязательным в строке оператора V3. Каскодный усилитель имеет слегка улучшенный коэффициент усиления в середине диапазона. Тем не менее, нам, в основном, интересна ширина полосы пропускания, измеренная на уровне -3 дБ по сравнению с усилением в середине полосы для каждого усилителя. Эти точки показаны на рисунке выше вертикальными сплошными линиями. Также можно распечатать интересующие данные из nutmeg на экран (команда в первой строке):

Индекс 22 выдает коэффициент усиления в дБ в середине полосы пропускания: для каскодной схемы vm(3) = 47.5 дБ, для схемы с общим эмиттером vm(13) = 45.4 дБ. Из многих напечатанных линий индекс 33 был ближайшим к тому, чтобы он был на 3 дБ ниже 45.4 дБ и равен 42.0 дБ для схемы с общим эмиттером. Соответствующая частота индекса 33 составляет примерно 2 МГц, это ширина полосы пропускания схемы с общим эмиттером. Индекс 37 с vm(3) = 44.6 дБ примерно на 3 дБ ниже 47.5 дБ. Соответствующая частота индекса 37 составляет 5 МГц, это ширина полосы пропускания каскодной схемы. Таким образом, каскодный усилитель имеет более широкую полосу пропускания. Мы не смотрим на уменьшение усиления на нижних частотах. Оно связано с конденсаторами, и его можно устранить, заменив конденсаторы на более большие. Ширина полосы в 5 МГц в нашем примере каскодного усилителя хотя и лучше, чем у схемы с общим эмиттером, не показательна для RF (РЧ, радиочастотного) усилителя. Для повышения верхней частоты полосы пропускания следует использовать пару РЧ или СВЧ транзисторов с более низкими межэлектродными емкостями. До изобретения радиочастотного MOSFET транзистора с двойным затвором каскодный усилитель на биполярных транзисторах можно было найти в дециметровых (UHF) ТВ приемниках.

Читайте также:  Компания laird выпустила новый модуль беспроводного зарядного устройства

Тема: Полностью каскодный усилитель HyperLynx

Опции темы

Полностью каскодный усилитель HyperLynx

Мне, как и многим, хотелось создать свою неповторимую и уникальную схему, не похожую на другие. Но велосипеды все давно разобраны и придумать что-то новое крайне сложно. Изначально (год 2006 или ранний) в основу моего усилителя легла модифицированная схема усилителя Lynx17. Из отличительных изменений был применён следящий каскод в каскаде УН и полностью переработанная схема стабилизатора питания. С тех пор прошло много времени, изменений никаких не вносилось, хотя тогда же было проведено множество экспериментов по возможным модификациям каскадов L17: ОБ, ОБ+следящая ОБ, ОК+ОБ и все виды каскодов, включая следящие реализации. Так же была опробована четвёрка повторителей на выходе: параллельный усилитель с ГТ и далее классческая симметричная тройка повторителей. Наступило “сегодня” и было подмечено, что применённых технологий явно не достаточно. Так, добавка, многими отрицаемая как полезная часть схемы, простейшего синфазного фильтра подавления помех по питанию 220 В, дала вполне ощутимый вклад в звук усилителя (звук стал чище). Это послужило толчком для дальнейшей модификации существующей схемы.

В основу схемы моего усилителя легли следующие положения:
– усилитель должен иметь внутрикаскадную стабилизацию (т.е. быть не чувствительным к питанию; хотя этого не удалось добиться, но удалось добиться другого);
– оправданно-допустимая схемотехническая сложность (для достижения потенциально высоких характеристик);
– единый схемотехнический подход к построению всего усилителя, идеологическое подобие каскадов, схемотехническая завершённость.

Таким образом, я предпочёл распорядиться транзисторами не запараллелив “100” штук для увеличения в “100” раз качество звука, а правильно упорядочив и выстроив их в оптимальные конфигурации. При всём богатстве выбора – ответ только один. Он лежал прямо на поверхности. Я его даже опробовал 8 лет назад в качестве УН, но не выявил тогда при тогдашнем питании никаких особых преимуществ перед следящим каскодом. Хочу заметить, что при наличии не до конца качественного питания, как стабилизированного, так и тем более не стабилизированного питания всего усилителя или его части (УМ), все каскады, участвующие в “создании” полезного сигнала, ощутимо зависят от его качества. Следящий каскод тогда зарекомендовал себя на равне с ОК+ОБ как самый устойчивый к помехам по питанию. Он давал самый чистый звук.

С внесением недавних изменений в схемы стабилизаторов усилителя были подмечены некоторые изменения в звуке. Так, применённые резисторы в ИОН на светодиодах за место ГТ дали однажды “сверхзвук”. Эффект был крайне необычный. Касался он больше всего передачи объёма. Казалось, что звук идёт ото всюду, но не из колонок, локализовать колонки на слух не получалось, и казалось, что центр звука в голове (у меня АС стоят на расстоянии 2 метров друг от друга на одной оси – ограничения комнаты). Но был и побочный эффект – была нарушена тональность, звуки казались какими-то неправильными. После данный эффект ушёл и вернуться к нему, к сожалению, не получилось, а очень хотелось, в силу его необычности и интересности. Далее последовала серия экспериментов как с питанием, так и построением каскадов усилителя. Это были схемы со следящим питанием внутри каскадов, но не между ними, в связи с их малой устойчивостью порой. Разнообразные реализации одного и того же следящего каскода в разных каскадах. Т.к. сл. каскод был несколько непредсказуем в своём поведении на звук, завися от питания и ещё каких-то факторов, то нашлося его альтернативное представление – каскодное токовое зеркало (КТЗ). Вот на нём и остановимся подробнее. Его схемотехническое подобие и исполнение лежит во всех каскадах данного усилителя:

1. Входной каскад (входной буфер) – параллельный усилитель (повторитель) с ГТ в эмиттере и плавающим напряжением в коллекторе;
2. Сумматор ОС-предусилитель – почти классическое каскодное ТЗ. Раскачивается от светодиодной гирлянды в эмиттере предыдущего каскада;
3. УН – точно такое же КТЗ как и в предыдущем каскаде, но вывернутое в орбратную сторону. Раскачивается от светодиодной гирлядны в коллекторе предыдущего каскада;
4. Первый выходной повторитель (преддрайвер) – был выполнен в виде параллельного усилителя со следящим питанием в коллекторе (раскачивается от светодиодной гирлядны в коллекторе УН) и АИТ в эмиттере;
5. Второй выходной повторитель (драйвер) – классический симметричный повторитель, но с удвоенной этажностью (каскодированием);
6. Третий выходной повторитель (УМ) – тот же самый драйвер, но собранный на мощных БТ и запитанный от своего стабилизатора напряжения.

Построение на КТЗ оказалось достаточно несложным решением, но при этом самым эффективным – это и предсказуемость в звучании (нивелирование изменений в питании, в отличии от непредсказуемого сл. каскода), стабильность повторения характеристик, плавность переходного процесса при установке режимов по постоянному току каскадов усилителя (у меня нет схемы защиты, но есть плавный пуск, АС подключена всегда к усилителю).

Из проведённой постепенной (покаскадной) модернизации усилителя было выявлено, что чувствительными каскадами к внесению изменений оказались: входной каскад и каскад УН. Именно там применение КТЗ и сл. питания полностью оправдано. Во всех остальных каскадах – для понта перестраховки и идеологической завершённости.

p.s. Хотя есть ещё не решённые вопросы – термостабилизация и задание тока покоя выходных транзисторов, но, надеюсь, мне удалось застолбить эту схему.

p.p.s. Собранный вариант данной схемы на макете одного канала звучит (ни чуть не скромничая): высокодетализированно, с хорошей передачей объёма, правильной тональностью звуков, приятной звонкостью и мелодичностью, при этом оставаясь нейтрально окрашенным. Любители эзотерики могут поэкспериментировать с источниками опорного напряжения – светодиодами – применив их разного цвета и в разном цветосочетании, получив тем самым множество красок звука.

Последний раз редактировалось Dieselboy; 28.08.2014 в 18:59 . Причина: Обновил схемы (кривая модель MC)

Каскадные усилители на полевых транзисторах

Каскодное включение полевого и биполярного транзисторов позволяет получить сочетание лучших свойств тех и других транзисторов.

Схемы соединения полевого и биполярного транзисторов

На рис. 1 – 6 приведены отобранные практикой схемы соединения полевого и биполярного транзисторов, систематизированные в сборнике схем Б.И. Горошкова. Они имеют высокое, характерное для полевых транзисторов, входное сопротивление и низкое, присущее биполярным транзисторам, выходное.

Рис. 1. Схема соединения полевого и биполярного транзисторов.

Рис. 2. Схема соединения полевого и биполярного транзисторов – вариант 2.

Коэффициент усиления (передачи) таких каскадов можно вычислить по формулам. В этих формулах Куи — коэффициент усиления каскада по напряжению; h21э (или Р) — коэффициент передачи биполярного транзистора по току; S — крутизна характеристики полевого транзистора (мА/В) RH — сопротивление нагрузки (кОм).

Ориентировочные, численные значения h21э и S можно найти в справочниках или паспортных данных; реальные же значения могут заметно отличаться от «теоретических».

Рис. 3. Схема соединения полевого и биполярного транзисторов – вариант 3.

Рис. 4. Схема соединения полевого и биполярного транзисторов – вариант 4.

Рис. 5. Схема соединения полевого и биполярного транзисторов – вариант 5.

Как следует из сопоставления формул, каскады усиления (рис. 1, 3, 5, 6) имеют коэффициент усиления (передачи), равный произведению отдельно взятых коэффициентов передачи транзисторов, входящих в каскад. Каскады (рис. 2, 4) имеют коэффициент передачи, практически равный единице.

Рис. 6. Схема соединения полевого и биполярного транзисторов – вариант 6.

Каскадное (двух, трех или более «этажное» включение полевых и/или биполярных транзисторов) позволяет простыми средствами добиться высокого коэффициента передачи, ослабить проникновение входного сигнала на выход усилителя, упростить схему в целом, повысить устойчивость ее работы, повысить максимальное значение напряжения питания и амплитуду выходного сигнала, соответственно.

Каскадные усилители с двумя полевыми транзисторами

«Двухэтажные» каскадные усилители требуют удвоения напряжения питания по сравнению с обычным включением транзисторов, при этом ток, потребляемый схемой, снижается вдвое.

Читайте также:  Подключение датчика температуры ds18b20 к микроконтроллеру

Рис. 7. Приблизительный эквивалент микросхемы К140УД7 на двух полевых транзисторах КП303.

На рис. 7 показана схема, позволяющая проимитировать довольно сложную по внутренней структуре аналоговую микросхему низкочастотного усилителя К140УД7 [Р 1/79-44].

Полноценной такую замену считать, разумеется, не следует (особенно в части коэффициента усиления). Однако использование эквивалента микросхемы, выполненного на дискретных элементах, в ряде случаев может быть оправдано. Резистор R2 подбирают до установления на выходе аналога микросхемы нулевого напряжения при питании устройства от двухпо-лярного источника.

Каскадные схемы широкополосных

Каскадные схемы широкополосных усилителей на полевых и биполярных транзисторах, включенных последовательно по постоянному току, приведены на рис. 8 — 16 [А.Г. Милехин, Р 9/72-38].

В качестве динамической нагрузки полевого транзистора VT1 используется активный элемент — полевой или биполярный транзистор VT2, внутреннее сопротивление которого зависит от амплитуды сигнала на стоке транзистора VT1.

Рис. 8. Каскадная схема широкополосного усилителя на двух транзисторах КП103.

Рис. 9. Каскадная схема широкополосного усилителя на двух транзисторах КП103Ж.

Транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком, транзистор VT2 — с общим стоком (рис. 8 — 10). При таком сочетании первый каскад имеет коэффициент усиления по напряжению близкий к единице, благодаря чему он обладает большим запасом устойчивости.

Рис. 10. Каскадная схема широкополосного усилителя на КП103М с ВЧ дросселем.

Кроме того, схема с общим истоком обладает значительным коэффициентом усиления по мощности, что способствует снижению шума двухкаскадного усилителя. Второй каскад, обладая большим коэффициентом устойчивого усиления, позволяет получить необходимое усиление по напряжению.

Рис. 11. Каскадная схема широкополосного усилителя на КТ361 и КП103Ж.

Наиболее простая схема (рис. 5.8) содержит всего 5 элементов, включая переходные конденсаторы. Несколько усложненный вариант усилителя (с включением в цепь истока каждого полевого транзистора сопротивления смещения) показан на рис. 5.9.

Основные характеристики схемы (рис. 11) соответствуют аналогичным для схемы (рис. 9), коэффициент усиления по напряжению незначительно возрастает, но в целом схема заметно усложняется.

На рис. 12 показан пример практической реализации усилительного каскада, выполненного на основе полевого и биполярного транзисторов (см. также рис. 1).

Рис. 12. Каскадная схема широкополосного усилителя на КТ315 и КП303Г.

Рис. 13. Каскадная схема широкополосного усилителя на двух транзисторах.

Для расширения частотного диапазона входного сигнала в качестве сопротивления в цепи истока верхнего (по схеме на рис. 10) полевого транзистора дополнительно может быть включен высокочастотный дроссель — элемент, реактивное сопротивление которого возрастает с ростом частоты.

Коэффициент усиления каскада в области низких частот (рис. 8) при использовании полевых транзисторов типа КП103Ж достигает 40 дБ при низком уровне шумов.

Коэффициент усиления по напряжению в диапазоне низких частот (от 10 Гц до 10 кГц) каскада на рис. 9 составляет 130 [А.Г. Милехин]. Максимальный выходной сигнал при напряжении питания 9 В может доходить до 1,4 В. Схема на рис. 11 имеет динамическую нагрузку полевого транзистора, в качестве которой применен биполярный транзистор.

Рис. 14. Каскадная схема широкополосного усилителя на трех транзисторах.

Рис. 15. Широкополосный усилитель на двух транзисторах КП103М и одном ГТ313В.

Рис. 16. Широкополосный усилитель на германиевом транзисторе и двух полевых.

В соответствии со сведениями, систематизированными в литературе [Р 9/72-38], можно привести сводную таблицу 1, характеризующую свойства каскадных усилителей в сопоставимых условиях измерения (для транзисторов КП103М), см. рис. 8 — 10, 13 — 16.

Апериодический и резонансные каскады усиления

Апериодический и резонансные каскады усиления с каскадным включением транзисторов показаны на рис. 17 — 19 [Р 5/75-54].

Рис. 17. Апериодический каскад усиления с каскадным включением транзисторов.

Резонансный двухкаскадный усилитель на транзисторах (рис. 18) в области частот до 500 кГц имеет устойчивое и не зависящее от частоты усиление по напряжению (порядка 20. 25 раз) при использовании относительно низкочастотных транзисторов типа КП103И.

При их замене более высокочастотными (типа КП303 и сменой полярности источника питания) схема усилителя может работать для усиления сигналов в диапазонах коротких и средних волн.

Рис. 18. Резонансный двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Рис. 19. Вторая схема каскадного резонансного усилителя.

Вторая схема каскадного резонансного усилителя (рис. 19) позволяет получить на частоте 12,5 МГц коэффициент усиления до 18.. .20. Для более низких частот (в диапазоне длинных и средних волн) коэффициент усиления по напряжению возрастает до 100 и выше. От источника питания усилитель потребляет ток 3. 4 мА.

На основе схем усилителей, приведенных на рис. 18, 19, могут быть созданы узкополосные высокочастотные усилители с одновременно перестраиваемыми на входе и выходе устройства идентичными колебательными контурами или фильтрами.

Интересным схемотехническим решением, позволяющим заметно выиграть в соотношении сигнал/шум, создав таким образом сверхмалошумящие усилители, является параллельное включение в нижнем плече схемы нескольких однотипных транзисторов [ПТЭ 1/78-88].

Общий коэффициент усиления транзисторов суммируется. В то же время уровень шумов возрастает только пропорционально корню квадратному из числа параллельно включенных транзисторов. В итоге, если включить параллельно 4 транзистора, соотношение сигнал/шум улучшится в 2 раза; при девяти транзисторах — в 3 раза и т.д.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Широкополосный усилитель мощности

ВЧ усилители мощности

Усилители мощности на полевых транзисторах имеют ряд преимуществ перед усилителями на биполярных транзисторах. В частности, в них более просто получить хорошую линейность амплитудно-частотной характеристики и высокую стабильность параметров [1].

Описываемый усилитель (см. схему на рис. 1) обеспечивает выходную мощность около 70 Вт в нагрузке сопротивлением 75 Ом и усиление около 40 дБ в середине диапазона З. 30 МГц. АЧХ показана на рис. 2. Предварительные каскады усиления собраны на полевых транзисторах VT1 и VT2. Первый из них работает с небольшим положительным напряжением смешения на затворе, задаваемым делителем R1R2. Нагрузкой транзистора VT1 является широкополосный трансформатор Т1. Его вторичная (понижающая) обмотка включена в цепь затвора транзистора VT2, работающего с нулевым напряжением смещения на затворе. Вторичная (понижающая) обмотка широкополосного трансформатора ТЗ через резисторы R4 и R5 соединена с затворами транзисторов выходного каскада VT3 и VT4, которые также работают с нулевым напряжением смешения.


Puc.1


Puc.2

Повышающая обмотка выходного трансформатора ТЗ подключена к антенному фильтру. Последний необходим в связи с тем, что коэффициент гармоник усилителя не лучше -15 дБ. Схема антенного фильтра приведена на рис. 3. Можно использовать и антенный фильтр от широкополосного усилителя, описанного в [2].


Puc.3

Важными элементами усилителя являются широкополосные трансформаторы. Широкополосность трансформаторов пропорциональна отношению Lo/Ls, где Lo – индуктивность обмоток, Ls – индуктивность рассеяния. Следует учесть, что уменьшение Lo приводит к сужению полосы частот равномерного усиления снизу, а увеличение Ls – сверху. Малые значения Ls можно получить при сильной связи между обмотками, что достигается специальной конструкцией трансформаторов [3, 4].

В усилителях, испытанных автором, применялись широкополосные трансформаторы, конструкция которых показана на рис. 4.


Puc.4

Трансформатор состоит из металлического каркаса 1, представляющего собой две медные трубки, соединенные медной перемычкой. На каждую трубку надевают по 9 колец 2 типоразмера К10Х6Х3 из феррита М1000НН. Кольца между собой склеивают клеем БФ-2. Через трубки пропускают два витка провода 3 МГТФ 0.65 так, чтобы его концы выходили со стороны перемычки. Провод должен туго входить в трубку. Трубки с перемычкой являются понижающей обмоткой, а два витка провода – повышающей.

Источник питания должен обеспечивать напряжение 40 В при токе до 3 А.

Можно, например, использовать источник, описанный в статье В. Дроздова “Однодиапазонный телеграфный KB трансивер” (“Радио”, 1983, N 1, с. 17-22).

В усилителе использованы резисторы МЛТ, конденсаторы КД, К52-5, проходные конденсаторы КТПС-1, ВЧ дроссели Д1.2-40, ДМЗ-12. Дроссели можно изготовить и самостоятельно на отрезках ферритовых (600НН) стержней длиной 15. 20, диаметром 2 мм. Намотку ведут виток к витку проводом ПЭВ-2 0,31 до заполнения магиитопровода. Собственные резонансные частоты дросселей должны быть выше верхней частоты рабочего диапазона усилителя. Реле, контакты К 1.1 которого задействованы для управления режимом усилителя, – герконовое РЭС-55 (паспорт РС4.569.601). Оно расположено в возбудителе.

Транзисторы VT2-VT4 желательно подобрать по начальному току стока. У транзистора VT2 он должен быть 30. 40 мА, у VT3, VT4 – 80. 120 мА (но желательно, чтобы этот параметр у обоих транзисторов был одинаков). Транзистор КП901Б можно заменить на КП901А. В выходном каскаде можно использовать один транзистор КП904А, но при этом выходная мощность усилителя снизится до 40 Вт.

Все транзисторы размещены на общем массивном теплоотводе площадью около 1000 см2, на котором закреплена монтажная плата из фольгированного гетинакса с вырезами под транзисторы. Монтаж выполнен навесным способом. Фольгированный слой используется в качестве общего провода. В местах установки монтажных стоек фольга удалена.

Данные конденсаторов и катушек фильтра приведены в таблице. Катушки намотаны на кольцевых (типоразмер К24Х13Х7) магнитопроводах из феррита М50ВЧ.

Номиналы конденсаторов (в пф) и катушек (в мкГн) фильтра

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector