Каскодная схема усилителя напряжения

Каскодная схема усилителя напряжения

Каскодный усилитель по схеме ОЭ-ОЭ-ОБ и его «производные».

Рис.1. Принципиальная электрическая схема каскодного усилителя по схеме ОЭ-ОЭ.

Н а рисунке 1 показана широко распространенная схема усилителя, выполненная на двух биполярных транзисторах по каскодной схеме, в которой оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером (ОЭ-ОЭ). Входное сопротивление этой схемы такое же, как каскада на одиночном транзисторе по схеме включения с ОЭ (от несколько сотен Ом до нескольких кОм), выходное сопротивление – аналогично вышеназванному каскаду (несколько десятков кОм). Возможный коэффициент усиления по напряжению – 1000…3000. Главной отличительной чертой этого каскада является наличие отрицательной обратной связи по постоянному току из цепи эмиттера второго транзистора в цепь базы первого транзистора. В результате чего схема обладает высокой стабильностью режимов транзисторов. Это выражается в следующем: после прогрев а радиодеталей или возникновения других дестабилизирующих факторов схема автоматически возвращается в режим первоначальной установки.

Рис.2. Принципиальная электрическая схема каскодного усилителя по схеме ОЭ-ОБ.

Н а рисунке 2 показана не менее распространенная каскодная схема усилителя, в которой первый транзистор включен по схеме с ОЭ, а второй с ОБ. Питание транзисторов последовательное. Входное сопротивление соответствует входному сопротивлению одиночного каскада, включенного по схеме с ОЭ (от нескольких сотен Ом до нескольких кОм), а выходное – несколько превышает выходное сопротивление каскада на одиночном транзисторе, включенном по схеме с ОБ (несколько десятков или сотен кОм). Главной отличительной особенностью данного каскада является малая внутренняя обратная связь ( с выхода на вход), в результате чего усилитель может дать большое устойчивое усиление без нейтрализации (резонансный усилитель) или коррекции этой связи. Так два каскада на одиночных транзисторах (ОЭ) могут дать усиление по напряжению не выше 40 дБ, а в ышеназванный каскад (ОЭ-ОБ) 60 дБ и более.

Рис.3. Принципиальная электрическая схема каскодного усилителя по схеме ОЭ-ОЭ-ОБ.

Е сли оба вышеназванные каскады объединить в один, то полученный каскад будет обладать полезными свойствами, имеющимися в обоих данных каскадах. То есть, он будет обладать высокой стабильностью режимов транзисторов и большим устойчивым усилением . Что и подтвердилось на практике. Такой каскад показан на рисунке 3. Первый и второй транзисторы включены по схеме с общим эмиттером ( ОЭ) , а третий с общей базой ( ОБ) . Входное сопротивление данного каскада такое же, как и каскадов показанных на рисунках 1 и 2 (от нескольких сотен Ом до нескольких кОм), а выходное — как на рисунке 2 (несколько десятков или сотен кОм). Коэффициент усиления по напряжению составляет один — два десятка тысяч. Частотный диапазон усилителя (с теми типами транзисторов и номиналами конденсаторов, что указаны на схеме) простирается от 100 кГц до 23 МГц (ниже и выше по частоте – плавный завал АЧХ). Кроме того, следует обратить внимание на то, что данный усилитель содержит меньшее количество радиодеталей, чем его прототипы вместе взятые. Это как раз тот случай, когда «два плюс два – не равно четырем»! Усилитель очень устойчив – возбудов не наблюдалось во всем рабочем диапазоне частот.

Рис.4. Принципиальная электрическая схема каскодного усилителя по схеме ОИ-ОЭ-ОБ.

Н а рисунке №4 показана схема каскодного усилителя, в которой первый транзистор (полевой) включен по схеме с общим истоком (ОИ), а два последующих биполярных транзистора с общим эмиттером ( VT3 — ОЭ) и общей базой ( VT2 — ОБ). Работа этой схемы аналогична схеме, показанной на рисунке №3 и, собственно, является логическим продолжением этой схемы. Но она имеет и некоторые преимущества перед предыдущей схемой, это — возможность регулировки усиления по второму затвору как в ручном режиме, так и с использованием АРУ. Кроме того, вход усилителя обладает высоким входным сопротивлением, а на его выходе применена обмотка связи, с помощью которой можно согласовать выход усилителя с последующим каскадом по сопротивлению. На второй затвор VT1 подается напряжение в пределах 0. +5 вольт. В коллекторную цепь транзистора включен параллельный колебательный контур L1, C4 (нагрузка), настроенный на частоту 500 кГц. Катушка L1 намотана на каркасе ПЧ транзисторного средневолнового приемника и содержит 75 витков провода ПЭЛ-0,16. Отвод от 20-го витка, считая снизу по схеме. К атушка L3 содержит 35 витков провода ПЭЛ-0,16. Намотки выполнены внавал. Сверху обмоток надето ферритовое кольцо (400НН). Резистор R7 служит для установки режима транзисторов, при котором достигается максимальный коэффициент усиления всего усилителя. По своим параметрам этот усилитель аналогичен предыдущему.

Рис.5. Принципиальная электрическая схема каскодного усилителя по схеме с ОИ-ОЭ-ОБ с дополнительными резисторами в базовых цепях.

Н а рисунке №5 показана схема аналогичная рисунку №4. Отличие состоит во введении в схему двух дополнительных резисторов R5, R6 , которые позволяют установить индивидуально каждому биполярному транзистору нужный (наилучший, а не компромиссный) режим работы. Кроме того и сопротивление резисторов в стоке транзистора VT1 позволяет подобрать оптимальный режим и для этого каскада. В результате данный усилитель дает несколько больший коэффициент усиления и обладает лучшей линейностью, по сравнению с предыдущим. На выходе усилителя добавлен парафазный каскад, служащий для получения дух сигналов с одинаковой амплитудой и фазами, отличающимися на 180 градусов (к его выходам можно непосредственно подключать кольцевой диодный SSB- детектор).

Рис.6. Принципиальная электрическая схема каскодного усилителя по схеме ОИ-ОЭ-ОЭ.

Н а рисунке №6 показана схема каскодного усилителя, выполненного по схеме включения транзисторов ОИ-ОЭ-ОЭ. Обратная отрицательная связь по постоянному току осуществляется через резистор R11. С его помощью происходит и регулировка её глубины, а также установка режимов всех трех транзисторов, так как они гальванически связаны между собой. Вместо ручной регулировки усиления (по второму затвору VT1) может быть применена и АРУ, как показано на рисунке №5.

Рис.7. Принципиальная электрическая схема каскодного усилителя по схеме ОИ-ОБ-ОЭ.

Н а рисунке №7 показана схема каскодного усилителя, выполненного по схеме включения транзисторов ОИ-ОБ-ОЭ. Резистором R8 регулируется глубина отрицательной обратной связи по постоянному току и производится установка режимов сразу всех трех транзисторов. Подбором сопротивления R7 можно также дополнительно более точно установить режимы транзисторов. Вместо РРУ можно применить и АРУ, аналогично рассказанному выше (рис.6).

P.S. Схемы усилителей, приведённые в этой статье разработаны автором, однако, если эти схемы уже встречались где-либо в печатных изданиях (лично мне они не встречались, кроме прототипов!), и если их уже придумал кто-нибудь раньше меня, то заранее прошу прощения! Рубцов В.П. UN7BV.

26.02.2006 г. Рубцов В.П. UN7BV, Казахстан, Астана.

Источник

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)

Источник

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 К_у и — коэффициент усиления каскада по напря­жению; h₂₁₃ (или (3) — коэффициент передачи биполярного транзистора по току; S — крутизна характеристики полево­го транзистора (мА/В)\ R_H — 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.

Источник