Схемотехника 1

5.4 Выходные каскады усилителей

Выходные каскады – это усилители мощности. Они служат для получения максимальной мощности в нагрузке при максимально возможном КПД и минимальных нелинейных искажениях.

В микроэлектронике класс А обычно используется редко из-за низкого КПД. Более популярны двухтактные усилители класса В и АВ.

5.4.1 Простейшая двухтактная схема

Рассмотрим простейшую двухтактную схему усилителя класса В на комплементарных транзисторах (рисунок 5.4).

Транзистор VT1 – n-p-n, VT2 – p-n-p –типа. Нагрузка Rн включена в эмиттерной цепи,

т.е. транзистор включен по схеме с ОК, следовательно, этот ЭП дает большое усиление по мощности, обусловленное высоким коэффициентом усиления тока.

В режиме покоя оба транзистора закрыты,

т.к. Uэб = 0 (класс В).

При подаче положительной полуволны переменного напряжения VT1 – открывается, VT2 – закрывается. Течет ток от +Е1 - КЭ1 - Rн - – Е1.

При подаче отрицательной полуволны переменного напряжения VT1 – закрывается, VT2 – открывается. Течет ток от +Е2 - Rн -ЭК2 - – Е2. Таким образом, схема работает в два такта: в первом такте открыт VT1, во втором - VT2, т.е. на выходе усилителя двуполярный сигнал. Коэффициент усиления по мощности K p Iэ / Iб 1.

Но недостаток схемы в том, что она имеет высокий коэффициент нелинейных искажений. На рисунке 5.5 приведена совмещенная передаточная характеристика

Длительность

положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода сигнала (часть синусоиды не усиливается).

Выходной ток Iэ носит импульсный характер, т.е. имеет большое число высших гармоник в своем спектре. Это особенно

существенно при малых Uвх, соизмеримых с U*.

21

5.4.2 Усилитель мощности с раздельным начальным смещением

Для устранения нелинейных искажений вводится раздельное смещение на базы транзисторов (рисунок 5.6) На диодах VD1 и VD2 создается падение напряжения U*, которое смещает рабочую точку транзистора VТ1 влево и VT2

– вправо от начала координат (рисунок 5.7). Характеристика передачи будет представлять прямую линию. Следовательно, уменьшатся нелинейные искажения. Эти диоды всегда открыты, так как суммарное напряжение источников питания E E всегда больше, чем входной сигнал.

Рассмотрим разновидность бестрансформаторного усилителя мощности с делителем напряжения в базовой цепи (рисунок 5.8). Такая схема еще называется схемой с дополнительной симметрией. Здесь R1, R2, R3 - делитель напряжения для создания смещения в классе В.

Должно выполняться условие

R1 R3 R2 .

Очевидно, что средняя точка R2 имеет нулевой потенциал. Базы обоих транзисторов можно считать закороченными по переменному току и подавать входное напряжение на одну из баз. Так как сигнал подается в одной фазе на

оба транзистора, то они работают поочередно. Вместо R2 обычно ставят диоды. На каждом диоде падает U*= 0,7 В, которое создает смещение, обеспечивающее режим класса В.

Схема включения транзисторов – с общим коллектором.

6 Лекция 6. Дифференциальный усилитель Содержание лекции:

–усилитель постоянного тока (УПТ);

–дифференциальный усилитель.

22

Цели лекции:

–изучить особенности УПТ: причины дрейфа и способы его уменьшения;

–изучить дифференциальный усилитель;

–изучить режимы работы дифференциального усилителя.

6.1 Особенности УПТ

УПТ служат для усиления сколь угодно медленно-изменяющихся сигналов, включая сигналы с частотой ω = 0.

Особенности УПТ:

а) необходимость согласования потенциалов.

Так как сигнал может содержать постоянную составляющую, нельзя применять в качестве связи реактивные элементы (конденсаторы, индуктивности, трансформаторы), поэтому необходимо согласовывать потенциалы в разных частях схемы (между каскадами, с генератором входных сигналов, с нагрузкой);

б) явление дрейфа напряжения в УПТ.

Дрейфом нулевого уровня называется наличие ложного выходного сигнала при закороченном входе (Uвх = 0).

Дрейфом выходного напряжения называется изменение величины Uвых при неизменном Uвх, оценивающееся изменением за сутки.

Причины возникновения дрейфа напряжения а) нестабильность источников питания; б) старение элементов схемы;

в) изменение параметров транзисторов (из-за изменения инжекционных свойств);

г) температурная зависимость.

Способы уменьшения дрейфа в УПТ а) использование стабилизированных источников питания;

б) использование отрицательной обратной связи; в) использование термостабилизации и термокомпенсации;

г) использование МДМ (модуляция-демодуляция) усилителей с преобразованием;

д) использование специальных схем УПТ с ограниченной нестабильностью.

Наибольшая нестабильность вызывается температурным дрейфом, связанным с изменением Iко, β, поэтому предпочтительнее кремниевые транзисторы, так как тепловой ток кремниевых транзисторов меньше теплового тока германиевых. В схемах термостабилизации используется ООС

(рисунки 3.5, 3.6).

23

В схемах для термокомпенсации используются терморезисторы, стабилитроны и выпрямительные диоды (рисунок 3.8).

6.2 Дифференциальный усилитель

6.2.1 Схема дифференциального усилителя (ДУ)

Дифференциальный усилитель (рисунок 6.1) усиливает разность входных сигналов, который называется дифференциальным сигналом. Строится на биполярных или полевых транзисторах.

ДУ представляет собой параллельно-балансный каскад – два УПТ с общей эмиттерной нагрузкой

Rэ, т.е. сбалансированный мост. Плечи

моста: Rк1 = Rк2 и транзисторы VT1 и

VT2, которые должны быть идентичны.

В одну диагональ включено питание, в другую – нагрузка Rн. Питание каскада осуществляется от двух источников Eк = Eэ, т.е. суммарное напряжение питания Eпит EК EЭ .

С помощью EЭ уменьшается потенциал эмиттеров VT1 и VT2

относительно общей точки, при этом отпадает необходимость согласования потенциалов.

На дискретных транзисторах трудно получить абсолютную симметрию, поэтому качественные ДУ строятся на интегральных микросхемах.

6.2.2 Режимы работы дифференциального усилителя (ДУ) Рассмотрим режимы работы ДУ:

а) режим покоя (источники входных сигналов закорочены на землю) UBX 1 UBX 2 0, следовательно Uбэ1 Uбэ2 Uэ .

В свою очередь Uэ Eэ (Iэ1 Iэ2 )Rэ 0 , тогда можно сделать вывод,

что Uбэ1 Uбэ2 0 .

Оба транзистора работают в активном режиме. Текут токи покоя

IK1 IK 2 0 , которые создают на Rк1 и Rк2 одинаковое падение

напряжения, следовательно, UK1 UK 2 , Uвых снимается с Rн Uвых Uк1 Uк2 0 . Достоинства схемы:

­не нужен источник компенсирующей ЭДС для согласования потенциалов;

­уменьшается дрейф нуля.

Например, рассмотрим дрейф от нестабильности напряжения питания. Допустим, увеличилось Ек, очевидно увеличиваются токи коллекторов

24

постоянный, UЭ const , UЭ 0 ;

2) сигнал подается на один из входов ДУ, а другой вход заземляется (рисунок 6.3). Входы называются дифференциальными.

Выходной сигнал можно снимать между коллекторами (симметричный выход) или с одного из коллекторов ( несимметричный выход)

7 Лекция 7. Разновидности схем дифференциальных усилителей Содержание лекции:

–дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока;

–дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой.

Цели лекции:

–изучить влияние синфазного сигнала, уменьшение его влияния в дифференциальном усилителе с генератором стабильного тока (ДУ с ГСТ), особенности ГСТ;

25

– изучить дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой (с зеркалом токов), особенности.

7.1 Дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока

Синфазный сигнал – это сигнал, действующий одновременно на обоих входах, например, сигнал вследствие изменения напряжения питания, температуры и др., т.е. это помеха, влияние которой надо ослабить. Для уменьшения действия синфазного сигнала (СС) необходимо стабилизировать ток эмиттера. Допустим, на оба входа действует СС. Он стремится увеличить токи коллектора, а их сумма есть ток эмиттера, который является постоянным. Поэтому ток коллектора не увеличивается, Uк и не изменяются. Для

стабилизации тока эмиттера можно увеличивать эмиттерное сопротивление RЭ , но тогда необходимо увеличить напряжение питания, а его не нужно

сопротивление по постоянному току и большое – по переменному (рисунок

7.1).

В схему ГСТ входят: транзистор VT3, диод VD, резисторы

R1, R2 и R3 и источник питания Еэ.

Ток Iэ определяет сумму токов Iэ1 и Iэ2

для транзисторов VT1 и VT2, а задается

он от ГСТ на VT3 (схема с общей базой). Его выходное сопротивление намного больше Rэ в схеме рисунка 6.3. Смещение на базу VT3 подается через делитель R1, R2, VD. Диод VD необходим для термокомпенсации. Выполняется условие R1>> R2, Rэ. Ток через R1 постоянный, так как R1

большое и от температуры не зависит. В свою очередь I1 I2 IбЗ .

При повышении температуры входная характеристика смещается влево, т.е. увеличивается ток эмиттера Iэ3. Одновременно уменьшается

26

незначительно, что и требуется от ГСТ.

7.2 Разновидности схем дифференциальных усилителей

Основными задачами разработки разновидностей схем ДУ является увеличение коэффициента усиления усилителя и увеличение входного сопротивления.

Используются следующие разновидности схем ДУ:

а) на входах ДУ ставятся составные транзисторы (пара Дарлингтона), у которых гораздо выше входное сопротивление и коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи тока обоих транзисторов;

б) на входах ДУ ставятся эмиттерные повторители, у которых входное сопротивление сотни килоомов;

в) ДУ с полевыми транзисторами на входах; г) ДУ с динамической нагрузкой.

7.3 Дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой

Для увеличения коэффициента усиления усилителя KU необходимо увеличить коллекторную нагрузку RK , но тогда потребуется увеличить напряжение источника питания ЕК. В интегральных схемах увеличение RK ведет к увеличению площади и габаритов микросхемы. Поэтому в ИС используется динамическая нагрузка, т.е. вместо резисторов RK1 и RK 2 ставятся транзисторы VТ3 и VТ4, которые имеют низкое сопротивление по

постоянному току и высокое

– по переменному.

Транзисторы VТ3 и VТ4 имеют полярность,

противоположную к основным (рисунок 7.2).

Транзисторы VT1 и VT2 (n-p-n-типа) – основные,

транзисторы VТ3 и VТ4 (p-n- p-типа) – коллекторная

нагрузка. Эти транзисторы соединены коллекторами. Транзистор VТ3 используется в диодном включении. В

27

эмиттерной цепи ставится генератор стабильного тока (ГСТ) для уменьшения

Сопротивление RH может быть обеспечено в несколько сотен килоом, следовательно, коэффициент усиления ДУ по напряжению может достигать нескольких сотен и тысяч.

Таким образом, отражатель токов позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению и удвоить сигнал на однотактном выходе.

8 Лекция 8. Основные параметры операционных усилителей Содержание лекции:

–назначение и основные параметры операционных усилителей;

–структурная схема трехкаскадного ОУ.

Цели лекции:

–изучение основных параметров и характеристик интегральных операционных усилителей, их особенностей;

–изучение структурной схемы ОУ.

8.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей

Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.

Идеальный ОУ имеет следующие параметры:

коэффициент усиления по напряжению KU ;

28

входное сопротивление RBX ;

выходное сопротивление RВЫХ 0 .

Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 8.1. Здесь:

вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным;

вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным;

выход – однотактный;

+Еп и -Еп –- выводы двух источников питания Еп или двуполярного источника.

зависимость коэффициента усиления от частоты (линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе – диаграмма Боде) приведена на

29

рисунке 8.2,а. АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в десять

раз, (т.е. на минус 20 дБ). Двухкаскадный ОУ

имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом);

ж) фазочастотная характеристика (ФЧХ) ОУ

– зависимость фазы сигнала от частоты F( f ) (рисунок 8.2,б). Каждый каскад на высоких

частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус 2 . ФЧХ запаздывает на n 2 ,

где n – число каскадов ОУ.

Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ;

и) fT - частота единичного усиления, т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;

к) амплитудная характеристика или характеристика передачи сигнала – зависимость выходного напряжения от входного Uвых f (Uвх ) приведена на

рисунке 8.3.

ОбычноUвых макс Eп 1В .

л) если при Uвх = 0 также и Uвых = 0, имеет место баланс ОУ.

В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется Uвыхсдв 0 при Uвх = 0 (рисунок 8.4).

30