Выходные каскады широкополосного осциллографа

В большинстве отечественных промышленных и любительских осциллографов выходной каскад усилителя горизонтального отклонения выполнен по схеме с общим эмиттером и резисторной нагрузкой. При этом для получения необходимых размаха и линейности выходного пилообразного напряжения на быстрых развертках питание каскада выбирают в пределах 150...250 В при коллекторных токах выходных транзисторов около 30...50 мА. Это приводит к повышенной мощности рассеяния выходными транзисторами, необходимости использования крупногабаритных теплоотводов и многоваттных резисторов, что отрицательно сказывается на экономичности, тепловом режиме и габаритах прибора в целом.

Улучшить эти показатели и на порядок снизить коллекторный ток выходных транзисторов позволяет использование в выходном каскаде двухтактной схемы со встречной динамической нагрузкой, которая обладает высоким устойчивым усилением и широкой полосой пропускания за счет малых значений входных и выходных емкостей.

Особенностью приципиальной схемы, приведенной на рис. 1, является включение не одного, как принято обычно, усилительного транзистора по схеме с общим эмиттером, а двух транзисторов разной проводимости VT2 и VT3 таким образом, что в качестве коллекторной нагрузки одного транзистора используется коллекторный переход другого. На эмиттер каждого транзистора подается усиленный входной сигнал с коллектора транзистора VT1 — на эмиттер VT2 непосредственно, а на эмиттер VT3 через разделительный конденсатор. Каждый из выходных транзисторов помимо усиления выполняет еще и роль нагрузки для другого, которая изменяется в соответствии с мгновенным значением усиливаемого сигнала. Таким образом, нагрузка носит динамический характер, а схема представляет собой двухтактный каскад с так называемой встречной динамической нагрузкой [3].

Рис.1. Принципиальная схема усилителя

Рис.2. Практическая схема выходного каскада

Такое построение выходного усилительного каскада, а также введение отрицательной обратной связи с его выхода на вход через резистор R2, что стало возможным благодаря большому запасу по усилению каскада, позволяет получить высокую линейность выходного пилообразного напряжения при быстрых развертках вплоть до 50 нс/дел и при токе через выходные транзисторы всего 5...6 мА. Включение резистора R3 дополнительно снижает мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT3, без какого-либо ухудшения параметров усилителя за счет перераспределения тока между транзистором VT3 и резистором R3.

На рис. 2 представлена практическая схема выходного каскада усилителя горизонтального отклонения осциллографа. На транзисторе VT1 собран каскад предварительного усиления по схеме с общим эмиттером и коллекторной нагрузкой R1. Для создания напряжения смещения на базе используется прямое падение напряжения на диоде VD1, который включен в цепь эмиттера. В связи с тем что отечественной промышленностью не выпускаются высоковольтные высококачественные р-п-р транзисторы средней мощности, транзистор верхнего плеча выходного каскада заменен двумя последовательно включенными транзисторами К.Т914А, которые способны работать на частотах до 400 МГц при предельном напряжении коллектор — эмиттер до 65 В. Делитель на резисторах R6 и R7 обеспечивает примерно равное распределение коллекторного напряжения между транзисторами верхнего плеча. Режимы транзисторов выходного каскада по постоянному току задаются цепью смещения VD3, R11 в базовых цепях транзисторов верхнего плеча и делителем напряжения R8, R9 в базовой цепи транзистора нижнего плеча. Пренебрегая небольшим падением напряжения на малом сопротивлении резистора R10, напряжение стабилитрона VD3 приложено к последовательно соединенным сопротивлениям эмиттерного перехода VT4 и резистора R5. Таким образом, этот резистор стабилизирует рабочий ток выходного каскада.

Весь каскад охвачен отрицательной обратной связью по напряжению через резистор R3. Конденсаторы СЗ, С4 и С5 осуществляют коррекцию переходной характеристики каскада, которая необходима для получения высокой линейности при быстрых развертках. Необходимо отметить, что сигнал на базу транзистора VT1 необходимо подавать от источника с выходным сопротивлением не менее 1 кОм, иначе параллельная отрицательная обратная связь не будет действовать.

Предлагаемый выходной каскад был испытан в работе совместно с предварительным усилителем горизонтального отклонения луча, аналогичным усилителю осциллографа С1-64, и обеспечивал высокую линейность напряжения развертки на диапазоне 50 нс/дел с размахом 100...120 В.

При настройке каскада подбором сопротивлений делителя R8, R9 устанавливают напряжение на базе VT2, равное +5 В, а резистором R11 задают ток через стабилитрон VD3, равный 5 мА. Благодаря действию отрицательной обратной связи по постоянному току режимы всех транзисторов устанавливаются автоматически.

Рис. 3. Принципиальная схема усилителя канала яркости

Необходимо лишь подобрать сопротивления резисторов R6 и R7 так, чтобы напряжения коллектор — эмиттер транзисторов VT3 и VT4 были примерно равны. Линейности выходного сигнала добиваются подстроенным конденсатором СЗ, в качестве которого, например, можно использовать конденсатор типа КТ4-21. Автор использовал самодельный трубчатый конденсатор с фторопластовым изолятором, у которого статором является отрезок латунной трубки диаметром 4 и длиной 6 мм, а ротором — латунный винт М1Х6. В качестве остальных элементов схемы использовались резисторы типа МЛТ, конденсаторы С1, С7 —типа КМ; С4, С5 —типа КТ, С2, С6 —типа К73-17.

На рис. 3 приведена принципиальная схема усилителя канала яркости осциллографа, выходной каскад которого также работает в режиме двухтактного каскада с встречной динамической нагрузкой. При указанных на схеме номиналах усилитель характеризуется следующими параметрами: изменение уровня выходного напряжения регулятором яркости — от 10 до 30 В; максимальная амплитуда выходного сигнала — 70 В; длительность переднего и заднего фронтов выходного импульса — не более 40 нс.

Каскад на транзисторе VT1 включен по схеме с общей базой и является сумматором сигналов от различных источников: регулятора яркости, импульса подсвета луча на прямом ходу развертки, сигнала внешней модуляции луча по яркости, электронного коммутатора. С коллектора транзистора VT1 усиленный сигнал через эмиттерныи повторитель, собранный на транзисторе VT2, поступает на выходной каскад, который выполнен на комплементарных транзисторах VT3 и VT4. Благодаря встречному включению этих транзисторов, работающих в активном усилительном режиме по схеме с общим эмиттером, и возбуждению их одним сигналом с выхода эмиттерного повторителя, образуется двухтактный выходной каскад со встречной динамической нагрузкой, который обеспечивает высокую скорость нарастания выходного напряжения импульса подсвета, то есть малую длительность фронтов. Это особенно важно при быстрых развертках для того, чтобы яркость луча была одинакова по всей длине развертки и не терялся передний фронт исследуемого сигнала.

Режим выходного каскада по постоянному току задается соответствующим выбором элементов базового смещения транзисторов VT3, VT4. Ток выходных транзисторов определяется резистором R16 и стабилитроном VD3 и выбран равным 6 мА. В связи с тем что устройство представляет собой усилитель постоянного тока так как в нем отсутствуют переходные конденсаторы, для обеспечения необходимых напряжений на электродах транзисторов напряжение на эмиттере VT3 сдвинуто относительно общего провода на 5 В с помощью стабилитрона VD6.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью через резистор R14, сопротивлением которого можно изменять коэффициент усиления. Диоды VD1, VD2, VD5 служат для защиты соответствующих транзисторов от возможных перенапряжений.

При налаживании усилителя подбором сопротивлений делителя R7R8 устанавливают напряжение на базе транзистора VT1, равное +1 В, а подбором сопротивления резистора R12 — ток через стабилитрон VD3, равный 5 мА. Все остальные режимы транзисторов усилителя по постоянному току устанавливаются автоматически. Начальный сдвиг уровня выходного напряжения при отсутствии входного сигнала и при выведенном регуляторе яркости может быть изменен подбором сопротивления резистора R9. Подстроенным конденсатором СЗ корректируют фронт выходного импульса.