Выбор и анализ схемы усилительного каскада электрических сигналов

Разновидности всех усилительных каскадов отличаются в основном схемами нагрузки в выходных цепях. Базовым является расчет усилителя с резистивной нагрузкой, который затем дополняется расчетом нагрузочной цепи: трансформаторной, резонансной, многоконтурной и т.д.

При анализе исходных данных на разработку автогенератора: сопротивления нагрузки, диапазона частот и мощности сигнала в нагрузке, наиболее подходящей является схема маломощного одноактного резонансного усилителя. Поскольку базовым является расчет усилительного каскада с активной нагрузкой, то сначала разработаем широкополосный резистивный усилительный каскад (рис.2.1), а затем, заменив нагрузку транзистора R_K резонансной цепью, получим резонансный усилитель. При этом схема должна обеспечивать фазовый сдвиг сигнала на выходе относительно входа на величину φ₀ = 180 ± 0,5°.

Рис. 2.1 Схема однотактного широкополосного усилительного каскада

 

Усилительный каскад содержит следующие функциональные элементы цепи: транзистор с проводимостью n-p-n, входную цепь, цепь отрицательной обратной связи, нагрузочную цепь транзистора, выходную цепь, а также фильтр в цепи источника питания.

В состав входной цепи входят резисторы R_d1 и R_d2, а также разделительный конденсатор C_p1. Разделительный конденсатор C_р1 препятствует протеканию постоянного тока от источника входного сигнала на вход усилителя, что привело бы к нарушению режима работы транзистора. Наличие этого конденсатора позволяет считать, что подключение предыдущего функционального узла к входу усилителя не вызовет изменения работы режима усилителя. Сопротивление R_d1 и R_d2 образует делитель напряжения и обеспечивает необходимое напряжение смещения для транзистора в режиме А.

Цепь отрицательной обратной связи предназначена для стабилизации режима работы транзистора. Данная схема включает в себя сопротивление R_э и конденсатор Сэ. Резистор Rэ образует отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току, необходимую для получения стабильного режима работы. Конденсатор Сэ шунтирует Rэ по переменному току, чтобы исключить влияние отрицательной обратной связи на переменный сигнал. При отсутствии конденсатора Сэ резистор Rэ не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет режим работы каскада по переменному току.

Нагрузочная цепь транзистора состоит из сопротивления Rк, который ограничивает протекание тока выходной цепи. Сопротивление резистора Rк выбирают примерно равным сопротивлению нагрузки Rн каскада, чтобы уменьшить нелинейное искажение и обеспечить оптимальный коэффициент передачи сигнала при согласованной нагрузке.

В выходную цепь передается усиленный переменный сигнал, который затем поступает в следующий каскад (нагрузку). Данная цепь содержит два элемента: С_р2 и Rн. Конденсатор С_р2 аналогично конденсатору С_р1 выполняет функцию разделительную и имеет большое сопротивление постоянного тока. Он служит для того, чтобы не пропустить постоянную составляющую току нагрузку. Наличие этого конденсатора позволяет считать, что подключение следующего функционального узла к выходу усилителя не вызовет изменения режима работы усилителя. Резистор Rн – сопротивление нагрузки, с которого снимают выходное напряжение (входное сопротивление следующего каскада).

Фильтр в цепи источника питания состоит из конденсатора Сф и индуктивности Lф. Он служит для исключения протекания переменной составляющей сигнала в источник питания каскада. Задача индуктивности заключается в ограничении тока переменной составляющей входного сигнала через источник питания. Емкость Сф фильтра служит для замыкания цепи протекания тока переменной составляющей в обход цепи питания. Наличие этих элементов позволяет сохранить режим работы транзистора при подключении к входу источника переменного сигнала.