8.   УСИЛИТЕЛЬНЫЕ   КАСКАДЫ С   ТРАНСФОРМАТОРНОЙ   СВЯЗЬЮ

            Усилительные каскады с трансформаторной связью применяют тогда, когда требуется оптимальное согласование сопротивления нагрузки и выходного сопротивления усилительного  каскада.

            Такие усилительные каскады сравнительно дороги, имеют худшие частотные характеристики по сравнению с бестрансформаторными каскадами, вносят повышенные нелинейные искажения, имеют значительные массу и габариты. Однако при необходимости обеспечить гальваническую развязку частей усилителя или при получении в нагрузке максимальной мощности, а соответственно и максимального коэффициента усиления по мощности, обойтись без трансформаторной связи пока не удается. Максимальная передача мощности от источника сигнала в нагрузку имеет место при равенстве их сопротивлений. Поэтому если RГ и RH различны по значению, то их согласуют с помощью трансформатора, для которого в идеальном случае справедливы соотношения             

где RH и RГ – соответственно сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную обмотку трансформатора, и сопротивление генератора, пересчитанное во вторичную обмотку; W2 и W1 – числа витков вторичной и первичной обмоток трансформатора. Так как в режиме оптимального согласования необходимо соблюдение  соотношений

                  RH = RГRГ = RН,                               

то коэффициент трансформации для оптимального согласования

                                                         

            В усилительных каскадах возможно и параллельное и по­следовательное включение обмоток трансформаторов с транзисторами. При последовательном включении – обмотку трансформатора включают в соответствующую цепь вместо нагрузочного сопротивления, и через нее протекает и постоянный, и переменный токи (рис. 8.1, а). Постоянный ток создает постоянный  магнитный  поток  подмагничивания. При  параллельном включении трансформатор подключают параллельно соответствующему сопротивлению в цепи коллектора через конденсатор (рис. 8.1, б). В этом случае через обмотки трансформатора постоянный ток не протекает и подмагничивание  магнитного 

сердечника   отсутствует.

            Особенностью транзисторных каскадов с трансформаторной связью является то, что согласующий трансформатор должен быть, как правило, понижающим. Действительно, если рассмотреть усилительный каскад с параллельным включением трансформатора, то  RВЫХ = RK, и если нагрузкой RH является входная цепь каскада с общим эмиттером, имеющая входное сопротивление         

  то 

            Учитывая,  что  значение  RK  составляет  несколько  кОм, нетрудно  подсчитать,  что  обычно  n < 1   (порядка  0,25 – 0,5).   

            Эквивалентную схему трансформатора представляют в виде, показанном на рис. 8.2.

При расчете использование полной эквивалентной схемы приводит к громоздким выражениям, затрудняющим анализ, поэтому обычно рассматривают отдельные эквивалентные схемы для низких (рис. 8.2, б), средних (рис. 8.2, в) и высоких (рис. 8.2, г) частот. При этом появляется возможность пренеб­речь параметрами, которые существенно не влияют на ход процессов  в  рассматриваемом  диапазоне  частот.

            Для четкого уяснения влияния трансформатора на результирующие характеристики каскада проанализируем, как изменяется коэффициент усиления схемы с ОЭ при подключении источника входного сигнала и нагрузки  через трансформатор. Для определенности рассмотрим параллельную схему включения  трансформаторов (рис. 8.1, б).

            Для каскада с ОЭ коэффициент усиления по напряжению в диапазоне средних  частот

ub>

            Если вместо RH и RГ подставить RH и RГ и учесть, что обычно RH >> (r1 + r2), а также что входное напряжение изменяется в n2 раз, а выходное – в n1 раз, получим коэффициент передачи напряжения для схемы с ОЭ и трансформаторной связью  в  диапазоне  средних  частот:

            Можно определить все интересующие параметры трансформаторного усилительного каскада, подставив в уравнения полученные для рассмотренных каскадов значения соответствующих сопротивлений и коэффициентов, определенные с учетом эквивалентной схемы трансформатора для данного диапазона  частот.

            Трансформаторное согласование позволяет улучшить энергетические характеристики усилительного каскада. Например, если RH = RBX; RГ = RВЫХ = 10RBX; = 40, то при бестрансформаторном подключении Кu » 3,5; Ki » 40, а при согласовании с  помощью  трансформатора  Кu » 20;   Ki » 200.

            Следует отметить, что с развитием микроэлектроники применение трансформаторов для согласования каскадов практически прекратилось. Это связано с отсутствием микромини­атюрных трансформаторов. Однако при создании высокоча­стотных избирательных усилителей трансформаторное согласование используется достаточно широко. В этих случаях первичная 1 или вторичная 2 или обе одновременно обмотки трансформатора выполняют роль резонансных LC-контуров (рис. 8.3, а, б). Эквивалентное сопротивление Z, включенное в цепь коллектора, зависит от частоты сигнала. Соответственно изменяется коэффициент усиления каскада, который достигает максимума на резонансной частоте (рис. 8.3, в).

            Для уменьшения влияния выходного сопротивления каскада на добротность контура и сопротивление Z коллекторную цепь часто подключают только к части витков. Вторичная обмотка 2 обеспечивает трансформаторную связь контура с нагрузкой (рис. 8.3, а). Для улучшения избирательности ее иногда также ставят в режим резонансного LC-контура, к которому подключают сопротивление нагрузки (рис. 8.3, б). В отдельных

случаях создают систему индуктивно связанных резонансных контуров, частоты резонансов которых различаются между собой. Это позволяет обеспечить усиление сигналов, лежащих в полосе частот, ширина которой зависит от расстройки контуров.                 

            Таким образом, трансформаторную связь между каскадами применяют для гальванической развязки частей усилителя, при получении максимального усиления по мощности, оптимальном согласовании сопротивлений генератора и нагрузки.