Выходные каскады на базе " двоек "
В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением (от 100 Ом до 10,1 кОм) с шагом 2 кОм (рис. 3). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм) мы в какой - то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС, а в другом (100 Ом) - к схеме с замкнутой ООС.
Основные типы составных биполярных
транзисторов (БТ) показаны на рис. 4. Наиболее часто в
ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона (рис. 4 а) на базе двух транзисторов одной проводимости (" двойка
" Дарлингтона), реже - составной транзистор Шиклаи (рис. 4б) из двух транзисторов разной проводимости с токовой
отрицательной ОС, и еще реже - составной транзистор Брайстона
(Bryston , рис. 4 в).
" Алмазный " транзистор - разновидность
составного транзистора Шиклаи - показан на рис. 4 г. В
отличие от транзистора Шиклаи, в этом транзисторе благодаря " токовому зеркалу " ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков. Иногда транзистор Шиклаи
используют с коэффициентом передачи больше 1 (рис. 4 д). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно
получить и на полевых транзисторах (ПТ).
1.1. Выходные каскады на базе " двоек ". " Двойка " - это двухтактный выходной каскад с транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, Шиклаи или их комбинации (квазикомлементарный каскад, Bryston и др.). Типовой двухтактный выходной каскад на " двойке " Дарлингтона показан на рис. 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 (рис. 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания, то эти транзисторы будут работать без отсечки тока, т. е. в режиме класса А.
Посмотрим, что даст спаривание выходных транзисторов для двойки " Дарлингт она (рис. 13).
На рис. 15 приведена схема ВК, использованная в одном из професс и ональных усилителей.
 |
Менее популярна в ВК схема Шиклаи (рис. 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады, когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона, а нижнее - по схеме Шиклаи. Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично, что приводит к дополнительным искажениям. Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла, в качестве которого использован базо - эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис. 20.
Кроме рассмотренных " двоек ", есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости, а коллекторным током - транзисторами другой проводимости (рис. 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах, например, Lateral MOSFET (рис. 24) .
Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах (рис. 30).
В качестве эффективного способа повышения и стабилизации входного сопротивления " двойки " предлагается использовать на ее входе буфер, например, эмиттерный повторитель с генератором тока в цепи эмиттера (рис. 32).
 |
Из рассмотренных " двоек " наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи. Посмотрим, что может дать для такого каскада применение буфера. Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости, включенных параллельно (рис. 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления. Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами. Посмотрим, что даст установка параллельного буфера на ее входе (рис. 37).
Параметры исследованных вы ходных каскадов сведены в табл. 1 .
 |
Анализ таблицы
позволяет сделать следующие выводы:
- любой ВК из " двоек " на БТ как нагрузка
УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности;
- характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало
зависят от сопротивления источника сигнала;
- буферный каскад на входе любой из
" двоек " на БТ повышает входное сопротивление, снижает индуктивную
составляющую выхода, расширяет полосу пропускания и делает
параметры независимыми от выходного сопротивления источника
сигнала;
- ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным
буфером на входе (рис. 37) имеет самые высокие характеристики
(минимальные искажения, максимальную полосу пропускания, нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне).
Выходные каскады на базе " троек "
В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры: " тройки " Дарлингтона, Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона, Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации. Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов (рис. 39). На рис. 41 показан ВК с разветвлением каскадов: входные повторители одновременно работают на два каскада, которые, в свою очередь, также работают на два каскада каждый, а третья ступень включена на общий выход. В результате, на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы.
 |
Схема ВК, в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона, изображена на рис. 43. Параметры ВК на рис.43 можно существенно улучшить, если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с " двойками " параллельный буферный каскад (рис. 44).
Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис. 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис. 46 . На рис. 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи (рис.4 д) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А (цепи термоста билизации не показаны).
На рис. 51 показан ВК по структуре предыдущей схемы только с единичным коэффициентом передачи. Обзор будет неполным, если не остановиться на схеме выходного каскада с коррекцией нелинейности Хауксфорда (Hawksford), приведенной на рис. 53 . Транзисторы VT 5 и VT 6 - составные транзисторы Дарлингтона.
Заменим выходные транзисторы на полевые транзисторы типа Lateral (рис. 57
 |
По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков, которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов, способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов. Варианты таких решений показаны на рис. 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия. На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5...1,5 В, что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе. В первом варианте (рис. 58 а) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р - коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В (падение напряжения на диоде). Вторая схема (рис. 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах. Аналогичные решения применяются и в силовых ключах.
Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное, на 10...15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада. В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды. Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис. 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 (рис. 59), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов. При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.
Схемы смещения
Ранее, с целью упрощения, вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения. Многие из рассмотренных схем, в частности, выходные каскады с параллельным повторителем на входе, не нуждаются в схемах смещения, что является их дополнительным достоинством. Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения, которые представлены на рис. 60 , 61 .
Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: диф ференциальный каскад (ДК), отражатель тока (" токовое зеркало "), схема сдвига уровня, каскод (с последова тельным и параллельным питанием, последний также называют " лома ным каскодом "), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Оценку параметров основных схем ГСТ (рис. 62 - 6 6) сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.
Отражатели тока
Рассмотренные схемы ГСТ - , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН. В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом (ДК) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру " токового зеркала " или, как его еще называют, " отражателя тока " (ОТ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона, Хафлера и др. Основные схемы отражателей тока приведены на рис. 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи (точнее, близким к 1), так и с большим или меньшим единицы (масштабные отражатели тока). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3...20 мА: Поэтому испытаем все ОТ при токе, например, около 10 мА по схеме рис. 68.
Результаты испытаний приве дены в табл. 3 .
В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 - 7; № 2, с. 5 - 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06
Целью автора было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания " пространства " во время прадничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему - легкодоступность комплектующих. Стремясь достичь качества Hi - Fi , я выбрал комплементарно - симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В. Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2x60 В. Схема усилителя приведена на рис. 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя.
А. ПЕТРОВ, Радиомир, 201 1 , №№ 4 - 12
Структурная схема полного усилителя низкой частоты УНЧ изображена на Рис.14.
Рис.14 Структурная схема УНЧ.
Входной каскад выделен с группы каскадов предварительного усиления, так как к нему предъявляются дополнительные требования по согласованию с источником сигнала.
Для уменьшения шунтирования источника сигнала R i низким входным сопротивлением усилителя R ВХ~ должно выполнятся условие: R ВХ~ >> R i
Чаще всего входным каскадом является эмиттерный повторитель, в которого R ВХ~ достигает 50 кОм и более или используются полевые транзисторы, обладающие очень большим входным сопротивлением.
Кроме этого входной каскад должен обладать максимальным отношением сигнал / шум, так как он определяет шумовые свойства всего усилителя.
Регулировки позволяют оперативно устанавливать уровень выходной мощности (громкость, баланс) и изменять форму АЧХ (тембр).
Оконечные каскады обеспечивают требуемую выходную мощность в нагрузке при минимальных нелинейных искажениях сигнала и высокой экономичности. Требования к оконечным каскадам определяются их особенностями.
1. Работа усилителя мощности на низкоомную нагрузку акустических систем требует оптимального согласование оконечного каскада с полным звуковым сопротивлением АС: R ВЫХ~ ≈ R Н .
2. Оконечные каскады потребляют основную часть энергии источника питания и экономичность для них является одним из основных параметров.
3. Доля нелинейных искажений, вносимых оконечными каскадами, составляет 70…90%. Это учитывается при выборе их режимов работы.
Предоконечные каскады . При больших выходных мощностях усилителя назначение и требования к предоконечным каскадам аналогичны оконечным каскадам.
Кроме этого, если двухтактные оконечные каскады выполнены на транзисторах одинаковой структуры, то предоконечные каскады должны быть фазоинверсными .
Требования к каскадам предварительного усиления вытекают из их назначения - усиливать напряжение и ток, создаваемые источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.
Поэтому наиболее важными показателями для многокаскадного предварительного усилителя являются: коэффициент усиления напряжения и тока, частотная характеристика (АЧХ) и частотные искажения.
Основные свойства каскадов предварительного усиления:
1. Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и могут не учитываться.
2. Построение каскадов предварительного усиления по однотактным схемам требует применения в нихнеэкономичного режима А, что практически не сказывается на общей экономичности усилителя из-за малых значений токов покоя транзисторов.
3. Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяющая получить наибольшее усиление иимеющая достаточно большое входное сопротивление, так что каскады можно соединить без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.
4. Из возможных способов стабилизации режима в предварительных каскадах наибольшее распространение получила эмиттерная стабилизация как наиболее эффективная и простая по схеме.
5. Для улучшения шумовых свойств усилителя, транзистор первого каскада выбирают малошумящим с большим значением статического коэффициента усиления по току h 21э >100, а его режим по постоянному току должен быть слаботочным I ок = 0,2…0,5 мА, а сам транзистор для повышения входного сопротивления УНЧ включают по схеме с общим коллектором (ОК).
Для исследования свойств предварительных каскадов усиления составляется эквивалентная электрическая схема их по переменному току. Для этого транзистор заменяется схемой замещения (эквивалентным генератором Е ВЫХ , внутренним сопротивлением R ВЫХ ,проходной емкостью С К ),а к нему подключаются все элементы внешней цепи, влияющие на коэффициент усиления и АЧХ (частотные искажения).
Свойства предварительных каскадов усиления определяются схемой их построения: с емкостной или гальванической связями, на биполярных или полевых транзисторах, дифференциальные , каскодные и другие специальные схемы.
При решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т.е. устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности. В усилителях обычно используют биполярные и полевые транзисторы и интегральные микросхемы.
Простейшим усилителем является усилительный каскад.
Состав простейшего усилительного каскада:
УЭ – нелинейный управляемый элемент (биполярный или полевой транзистор);
R – резистор;
E – источник электрической энергии.
Усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной э.д.с. E в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.
Основные параметры усилительного каскада:
Для многокаскадных усилителей
В зависимости от диапазона усиливаемых частот входных сигналов усилители подразделяют:
УПТ (усилители постоянного тока) - для усиления медленно изменяющихся сигналов;
УНЧ (усилители низкой частоты) - для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот (20-20000 Гц);
УВЧ (усилители высокой частоты) - для усиления сигналов в диапазоне частот от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц;
Импульсные/широкополосные - для усиления импульсных сигналов, имеющих спектр частот от десятков герц до сотен мегагерц;
Узкополосные/избирательные - для усиления сигналов в узком диапазоне частот.
По способу включения усилительного элемента разделяют:
В случае применения биполярного транзистора в качестве усилительного элемента:
С общей базой
С общим эмиттером
С общим коллектором
В случае использовании полевого транзистора:
С общим истоком
С общим стоком
С общей базой
Усилительный каскад с общим эмиттером.
Усилительный каскад с ОЭ является одним из наиболее распространенных усилительных каскадов, в котором эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.
Схема усилительного каскада с ОЭ для биполярного транзистора структуры п-р-п.
Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:
ВАХ коллекторного резистора Rк является линейной, а ВАХ транзистора нелинейна и представляет собой семейство выходных (коллекторных) характеристик эмиттера, включенных по схеме с ОЭ.
Расчет
нелинейной цепи, т.е. определение I
к
,
,
и
U
к
для различных токов
базы
I
б
и сопротивлений
резистора
R
к
, можно провести
графически. Для этого на семействе
выходных характеристик транзистора
необходимо провести прямую из точки E
к
на оси абсцисс ВАХ резистора Rк,
удовлетворяющую уравнению 
.
Точки пересечения нагрузочной прямой с линиями выходных характеристик дают графическое решение уравнения для данного R б и различных I б .
По этим точкам можно определить ток в коллекторной цепи, напряжения U кэ и .
Сопротивление резистора R к выбирают исходя из требований усиления входного сигнала. При этом необходимо учитывать, чтобы нагрузочная прямая проходила левее и ниже допустимых значений U к max , I к max , P к max и обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики.
Эквивалентная схема замещения усилительного каскада с ОЭ и его параметры.
Считая , можно записать эти уравнения в виде
Решая совместно эти уравнения, получим
Знак минус означает, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Получим формулу для коэффициента усиления по напряжению ненагруженного усилительного каскада с общим эмиттером :
Так как . Поэтому
Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ на низких частотах:
Выходное сопротивление усилительного каскада с ОЭ определяется выражением
Температурная стабилизация усилительного каскада с ОЭ
С
ущественным
недостатком транзисторов является их
зависимость от температуры. С повышением
температуры за счет возрастания числа
неосновных носителей заряда в
полупроводнике увеличивается коллекторный
ток транзистора. Это приводит к изменению
выходных характеристик транзистора.
При увеличении коллекторного тока наΔI
k
, коллекторное напряжение
уменьшается на .
Это вызывает смещение рабочей точки
транзистора, что может вывести ее за
пределы линейного участка характеристик
транзистора, и нормальная работа
усилителя нарушается.
Для уменьшения влияния температуры на работу усилительного каскада с общим выпрямителем, в его эмиттерную цепь включают резистор R э , шунтированный конденсаторомС э . В цепь базы для создания начального напряжения включают делитель напряжения.
Увеличение тока эмиттера из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на сопротивлении R э , что вызывает снижение напряжения , а это вызывает уменьшение тока базы. Ток эмиттера и коллектора сохраняют положение рабочей точки на линейном участке характеристики.
Влияние изменения тока коллектора в выходной цепи на входное напряжение транзистора называют отрицательной обратной связью по постоянному току. При отсутствии конденсатора работа усилительного каскада изменяется не только по постоянному току, но и по переменной составляющей.
Усилительный каскад с ОК
К
оллектор
транзистора через источник питания
соединен непосредственно с общей точкой
усилителя, т.к. падение напряжения на
внутреннем сопротивлении источника
незначительно. Можно считать, что входное
напряжение подается на базу транзистора
относительно коллектора через конденсаторС
1
, а
выходное напряжение равно падению
напряжения наR
э
, которое
снимается с эмиттера относительно
коллектора. Резистор
задает начальный ток смещения цепи
базы транзистора, который определяет
положение рабочей точки в режиме покоя.
При наличииU
вх
в цепи появляется переменная составляющая ,
которая создает падение напряжения наR
э
( )
Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с ОК меньше единицы, поэтому его правильнее называть коэффициентом передачи напряжения.
Так как входное значение K u близко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивленияh 11 транзистора и достигает нескольких сотен килоом.
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя имеет значение порядка десятков ом. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает очень большим входным и малым выходным сопротивлением, следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким.
Усилительный каскад на полевом транзисторе
У
силительные
каскады на полевых транзисторах обладают
большим входным сопротивлением.
В этом каскаде резистор R c , с помощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. В цепь истока включен резистор R и , создающий необходимое падение напряжения в режиме покояU 30 , являющееся напряжением смещения между затвором и истоком.
Резистор в цепи затвора R 3 обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следовательно, потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе R и от постоянной составляющей токаI и0 .Таким образом, потенциал затвора является отрицательным относительно потенциала истока.
Входное напряжение подается на резистор R 3 через разделительный конденсатор С. При подаче переменного входного напряжения в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истокаi и и тока стокаi с, причемi и i с. За счет падения напряжения на резисторе R и от переменной составляющей тока i и , переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть значительно меньше входного напряжения:
Это явление, называемое отрицательной обратной связью, приводит к уменьшению коэффициента усиления усилительного каскада. Для его устранения параллельно резистору R и включают конденсатор С и, сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора R н . При этом условии падение напряжения от тока истокаi и на цепочке R и -С и, называемой звеном автоматического смещения, очень небольшое, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада.
Выходное напряжение снимается через конденсатор связи С с между стоком и общей точкой каскада, т. е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.
Обратные связи в усилителях
О
братной
связью в усилителях называют подачу
части (или всего) выходного сигнала
усилителя на его вход.
Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными.
Если при наличии обратной связи входное напряжение u вх складывается с напряжением обратной связи u ос , в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение u 1, то такую обратную связь называют положительной.
Если после введения обратной связи напряжения u 1 на входе иu вых на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием напряжения обратной связи из входного напряженияu вх, то такую обратную связь называют отрицательной.
Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току. В обратной связи по напряжениюu oc =βu вых, где β - коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. В обратной связи по токуu ос = R ос i вых, гдеR ос - взаимное сопротивление выходной цепи и цепи обратной связи. Кроме того, все обратные связи подразделяют на последовательные, при которых цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями усилителя, и параллельные, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.
Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления.
Для усилителя без обратной связи
Вывод: введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в 1+βК раз.
Введение положительной обратной связи повышает коэффициент усиления усилителя. Однако положительная обратная связь в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффициента усиления значительно ухудшается.
Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя:
а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;
б) снижается уровень нелинейных искажений;
в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя, и т. д.
Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение:
Вывод: всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием отрицательной обратной связи в 1+βК раз.
Если значение βК много больше единицы, что представляет собой глубокую отрицательную обратную связь, то
В случае положительной обратной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается:
Введение последовательной обратной связи по напряжению увеличивает входное сопротивление.
Схема усилителя с параллельной обратной связью:
При глубокой отрицательной обратной связи
3) магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.
Усилители постоянного тока
Устройства, предназначенные для усиления сигнала очень низких частот (порядка долей Гц), имеющие амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот называются усилителями постоянного тока (УПТ).
Требования к характеристикам УПТ:
в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;
при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;
напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.
Наилучшим образом данным требованиям удовлетворяют УПТ, построенные на дифференциальных балансных каскадах. Они так же обеспечивают эффективную борьбу с так называемым дрейфом нуля УПТ. Построены по принципу четырехплечевого моста.
У
равнение
баланса моста:
При изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R н ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R 1 , R 2 или R 3 , R 4, баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R 2 , R 3 транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ.
В
дифференциальном усилителе сопротивления
резисторов R 2 , R 3 в коллекторных
цепях транзисторов выбирают равными,
режимы обоих транзисторов устанавливают
одинаковыми. В таких усилителях подбирают
пары транзисторов со строго идентичными
характеристиками.
На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R 1 , который стабилизирует ток транзисторов. Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R l , увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Е 2 Е 1 , а в интегральных микросхемах часто вместо резистора R 1 применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на 2-4 транзисторах.
Переменный резистор R п служит для балансировки каскада (для установки нуля). Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениямиR 2 , R 3 . При изменении положения движка потенциометра R п изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометраR п добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе R н в отсутствие входного сигнала.
При изменении э. д. с. источника коллекторного питания Е 1 или смещения Е 2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R 2 , R 3 в точности равны, то тока в резисторе R H за счет изменения э. д. с. E l , Е 2 не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.
Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.
В то же время при подаче входного напряжения на базу транзистора Т 1 изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе R н.
При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при стабилизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1-20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от -50 до +50°С составит 0,1-2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20-100 раз.
По таким же схемам можно выполнять усилители на полевых транзисторах. Аналогичные балансные схемы могут быть построены на основе эмиттерных и истоковых повторителей.
Операционные усилители
Операционный усилитель – дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.
ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
Схема и условное графическое обозначение интегральной микросхемы К140УД8:
Первый каскад на полевых транзисторах VТ 1 VТ 11 иVT 2 ,VT 9 , с каналом р-типа является симметричным дифференциальным каскадом с нагрузочными транзисторамиVТ 3 ,VT 10 . ТранзисторыVТ 4 ,VТ 5 образуют стабилизатор тока в истоковой цепи первого каскада.
Второй каскад - несимметричный дифференциальный каскад на двух эмиттерных повторителях - выполнен на транзисторах VT 7 ,VТ 12 . Связь между первым и вторым каскадами непосредственная.
Н
а
составном транзистореVТ 15 ,
выполнен усилитель напряжения, нагрузкой
которого служит полевой транзисторVT 17 . На выходе
микросхем применен бестрансформаторный
усилитель мощности на составных
транзисторахVТ 20 ,VТ 22 иVТ 23 ,VТ 24 .
Микросхема К140УД8 имеет два входа (4- неинвертирующий, 3 - инвертирующий) и один выход (вывод 7), общий вывод 1 и выводы подсоединения питающих напряжений: 8 - для +E 1 и5- для -Е 2 . Выводы 2и 6используют для балансировки микросхемы с помощью переменного резистора сопротивлением 10 кОм.
УПТ с преобразованием напряжения
Способ снижения дрейфа основан на двойном преобразовании усиливаемого напряжения.
Структурная схема:
Модулятор предназначен для преобразования медленно изменяющегося входного напряжения в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна входному напряжению, причем при изменении знака входного напряжения изменяется фаза переменного напряжения.
Uвх преобразуется с частотой от 50 Гц до 20 МГц.
Существует много различных схем модуляторов. Наиболее распространенными из них являются:
модулятор с вибропреобразователем;
модулятор на транзисторах.
М
одулятор
с вибропреобразователем представляет
собой маломощный электромагнитный
контактор, периодически (с частотой
тока, питающего катушку электромагнита)
подключающий входное напряжение то к
верхней, то к нижней (по схеме) половине
первичной обмотки трансформатора. При
этом ток в первичной обмотке изменяет
направление. Во вторичной обмотке
трансформатора возникает переменное
напряжение. Обычно применяется повышающий
трансформатор с коэффициентом
трансформации до 10, поэтому амплитуда
напряжения в несколько раз больше
входного напряжения.
Достоинство вибропреобразователя - небольшой дрейф, который определяется в основном термо-э. д. с. контактной пары и может быть снижен до 0,01-0,1 мкВ/ч (0,1- 0,5 мкВ/сут). Входное сопротивление равно 1-10 кОм.
Д – демодулятор – предназначен для преобразования переменного напряжения на входе, медленно изменяющегося постоянного напряжения на выходе.
Преимущества:
Низкий дрейф нуля;
Недостатки:
Плохая АЧХ в области высоких частот.
Модулятор, стоящий на входе усилителя, хорошо преобразует постоянные и медленно изменяющиеся напряжения. При увеличении частоты входного напряжения работа модулятора ухудшается. В то же время на выходе демодулятора применяется сглаживающий фильтр. При частоте сигнала, приближающейся к частоте опорного напряжения u оп, фильтр не может отделить сигнал от опорного напряжения.
Для расширения диапазона частот применяют высокочастотные преобразователи, которые позволяют повысить частоту f оп до 0,5- 10 МГц.
Комбинированные усилители сочетают в себе преимущества усилителей без преобразователя напряжения и с ним.
Структурная схема комбинированного УПТ:
Комбинированный усилитель имеет дрейф на уровне УПТ с преобразованием спектра сигнала, а амплитудно-частотную характеристику не хуже, чем усилитель без преобразования спектра сигнала. Некоторая неравномерность амплитудно-частотной характеристики в области средних частот легко выравнивается за счет отрицательной обратной связи. (КД140УД13).
Операционные усилители являются основой большого класса усилителей со специальными частотными характеристиками. Это достигается применением различных цепей обратной связи.
В операционных усилителях обратная связь отрицательная, если она подается с выхода усилителя на инвертирующий вход. Действительно, при этом напряжение U oc , находящееся в фазе сU вых, будет в противофазе с входным напряжением на инвертирующем входе. И наоборот, обратная связь является положительной, если она подается на неинвертирующий вход. При последовательной обратной связи входной сигналu вх и сигнал обратной связи подаются на разные входы микросхемы, при параллельной - на один.
Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого может быть – громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, обмотка реле, катушка измерительного прибора и т. д. Источниками входного сигнала являются звукосниматель, фотоэлемент и всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы усилителя. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения.
В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы; их собирают как на лампах, так и на транзисторах.
Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 26). Напряжение синусоидального сигнала u вх подают на участок база – эмиттер через разделительный конденсатор С р1 , что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I б0 . Значение I б0 определяется напряжением источника Е к и сопротивлением резистора R б . Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R н . Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки R k усиленное по амплитуде падение напряжения u вых .
Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 27 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки R н и напряжение источника Е к заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и D . При этом точка D задана значением Е к , а точка С – током I к =Е к /R н . Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ линии нагрузки.
Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка О . Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O определяет ток коллектора I к0 и напряжение на коллекторе U кэ0 соответствующие режиму покоя.
Кроме того, точка O определяет ток покоя базы I б0 , а следовательно, и положение рабочей точки O" на входной характеристике (рис. 27, а, б). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А" и В" на входной характеристике. Проекция отрезка А"O" на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U вх т , при которой будет обеспечен режим минимальных искажений.
Строго говоря, U вх т , необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U кэ , отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U кэ =U кэ 0 .
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТОРНОГО
УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
ПХ - переходная характеристика;
СЧ - средние частоты;
НЧ - низкие частоты;
ВЧ - высокие частоты;
К - коэффициент усиления усилителя;
Uc - напряжение сигнала частотой w ;
Cp - разделительный конденсатор;
R1,R2 - сопротивления делителя;
Rк - коллекторное сопротивление;
Rэ - сопротивление в цепи эмиттера;
Cэ - конденсатор в цепи эмиттера;
Rн - сопротивление нагрузки;
Сн - емкость нагрузки;
S - крутизна трагзистора;
Lк - корректирующая индуктивность;
Rф,Сф - элементы НЧ - коррекции.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целью настоящей работы является:
1) изучение работы резисторного каскада в области низких, средних и высоких частот.
2) изучение схем низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя;
2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.
2.1. Изучить схему резисторного усилительного каскада, уяснить назначение всех элементов усилителя и их влияние на параметры усилителя (подраздел 3.1).
2.2. Изучить принцип работы и принципиальные схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя (подраздел 3.2).
2.3. Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета (раздел 4).
2.4. Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).
3. РЕЗИСТОРНЫЙ КАСАКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Резисторные усилительные касакады широко применяются в различных областях радиотехники. Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всей полосе частот, реальный усилитель всегда имеет искажения АЧХ, прежде всего - снижение усиления на низких и высоких частотах, как показано на рис. 3.1.
Схема резисторного усилителя переменного тока на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером представлена на рис. 3.2, где Rc - внутреннее сопротивление источника сигнала Uc ; R1 и R2 - сопротивления делителя, задающие рабочую точку транзистора VT1; Rэ - сопротивление в цепи эмиттера, которое шунтируется конденсатором Сэ; Rк - коллекторное сопротивление; Rн - сопротивление нагрузки; Cp - разделительные конденсаторы, обеспечивающие разделение по постоянному току транзистора VT1 от цепи сигнала и цепи нагрузки.
Температурная стабильность рабочей точки возрастает при увеличении Rэ (за счет увеличения глубины отрицательной обратной связи в касакаде на постоянном токе), стабильность рабочей точки также возрастает и при уменьшении R1,R2 (за счет увеличения тока делителя и повышения температурной стабилизации потенциала базы VT1). Возможное уменьшение R1,R2 ограничено допустимым снижением входного сопротивления усилителя, а возможное увеличение Rэ ограничено максимально допустимым падением постоянного напряжения на сопротивлении эмиттера.
3.1. Анализ работы резисторного усилителя в области низких, средних и высоких частот.
Эквивалентная схема получена с учетом того, что на переменном токе шина питания (“-Е п ”) и общая точка (“земля”) являются короткозамкнутыми, а также с учетом допущения 1/wCэ << Rэ, когда можно считать эмиттер VT1 подключенным на переменном токе к общей точке.
Поведение усилителя различно в области низких, средних и высоких частот (см.рис. 3.1). На средних частотах (СЧ) , где сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало (1/wCр << Rн), а влиянием емкости Со можно пренебречь, так как 1/wCо >> Rк, эквивалентная схема усилителя преобразуется в схему рис.3.4.
Из схемы рис.3.4 следует, что на средних частотах усиление касакада Ко не зависит от частоты w:
Ко = - S/(Yi + Yк + Yн),
откуда с учетом 1/Yi > Rн > Rк получаем приближенную формулу
Следовательно, в усилителях с высокоомной нагрузкой номинальный коэффициент усиления Ко прямо пропорционален величине сопротивления коллектора Rк.
В области низких частот (НЧ) также можно пренебречь малой емкостью Со, но необходимо учесть возрастающее с понижением w сопротивление разделительного конденсатора Ср. Это позволяет получить из рис. 3.3 эквивалентную схему усилителя на НЧ в виде рис.3.5, откуда видно, что конденсатор Ср и сопротивление Rн образуют делитель напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT1.
Чем ниже частота сигнала w , тем больше емкостное сопротивление Ср (1/wCр), и тем меньшая часть напряжения попадает на выход, в результате чего происходит снижение усиления. Таким образом, Ср определяет поведение АЧХ усилителя в области НЧ и практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя в области средних и высоких частот. Чем больше Ср, тем менбше искажения АЧХ в области НЧ, а при усилении импульсных сигналов - тем меньше искажения импульса в области больших времен (спад плоской части вершины импульса), как показано на рис.3.6.
В области высоких частот (ВЧ), как и на СЧ, сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало, при этом определяющим на АЧХ усилителя будет наличие емкости Со. Эквивалентная схема усилителя в области ВЧ представлена на схеме рис.3.7, откуда видно, что емкость Со шунтирует выходное напряжение Uвых, следовательно с повышением w будет уменьшаться усиление касакада. Дополнительной причиной снижения усиления на ВЧ является уменьшение крутизны транзистора S по закону:
S(w) = S/(1 + jwt),
где t - постоянная времени транзистора.
Шунтирующее действие Со будет сказываться меньше при уменьшении сопротивления Rк. Следовательно, для увеличения верхней граничной частоты полосы усиливаемых частот необходимо уменьшать коллекторное сопротивление Rк, однако это неизбежно приводит к пропорциональному снижению номинального коэффициента усиления.
