
- •1.4 Каскады усилителей звуковой частоты
- •1.4.1 Каскады предварительного усиления
- •1.4.1.1 Требования к предварительным каскадам
- •1.4.1.2 Резисторный каскад на биполярном транзисторе ( схема с общим эмиттером)
- •1.4.1.3 Резисторный каскад на полевом транзисторе ( схема с общим истоком )
- •1.4.1.4 Трансформаторный каскад
- •1.4.2.2 Двухтактный бестрансформаторный каскад на транзисторах разного типа
- •1.4.2.3 Двухтактный бестрансформаторный каскад на составных транзисторах
- •1.4.3.2 Фазоинверсная схема с разделённой нагрузкой
- •1.4.3.3 Фазоинверсный каскад на двух транзисторах с общим
- •1.4.4 Входные каскады
- •1.4.4.1 Общие сведения
- •1.4.4.2 Пассивные входные устройства
- •1.4.4.3 Активные высокоомные входные устройства
- •1.1.5 Дополнительные цепи усилителя
1.1.5 Дополнительные цепи усилителя
В усилительных устройствах широко используют схемы регулировки усиления и тембру. ,
Регулировка усиления позволяет поддерживать усиление устройства неизменным при замене усилительных элементов, их старении или изменении питающих напряжений, изменять уровень выходного сигнала, а также предохранять усилитель от перегрузки при слишком высоком уровне входного сигнала.
Регулировку усиления можно производить плавно (плавная регулировка) или скачкообразно (ступенчатая регулировка). Основными и наиболее распространенными способами регулировки усиления являются: потенциометрическая регулировка (как плавная, так и ступенчатая), регулировка усиления изменением режима усилительного элемента и регулировка усиления обратной связью. Регулятор усиления обычно вводят во входную цепь усилителя или в его первые каскады для того, чтобы не перегружать усилительные элементы при увеличении амплитуды входного сигнала.
Основным параметром регулировки является глубина регулировки, равная отношению коэффициентов усиления усилителя в двух крайних положениях регулятора усиления; ее выражают в относительных или логарифмических единицах:
Др = Kmax/Kmin ; Др (дБ) = 20 lg Др ( 1.56 )
а
-
для цепей с низким входным сопротивлением
;
б- для цепей с высоким входным сопротивлением
Рисунок 1.51 – Плавная потенциометрическая регулировка усиления
Наиболее распространенным типом регулировки усиления является плавная потенциометрическая регулировка, осуществляемая введением в цепь сигнала потенциометра с изменяемым коэффициентом передачи (рисунок 1.51). Плавное изменение коэффициента передачи здесь осуществляется с помощью непроволочного резистора Др с переменным сопротивлением, имеющего
117
117
ползунок передвигающийся по поверхности резистора при вращении рукоятки. Так как усилительные каскады с биполярными транзисторами имеют низкое входное сопротивление, в них обычно осуществляют регулировку тока сигнала, включая Rp в цепь последовательно (рисунок 1.15,а); в каскадах с полевыми транзисторами или лампами регулируют напряжение сигнала, для чего Rp включают в схему параллельно (рисунок 1.15,б). Достоинства плавной потенциометрической регулировки - простота и возможность получения довольно большой глубины регулировки. Недостатки - изменение частотной, фазовой и переходной характеристик при изменении положения регулятора и появление на выходе усилителя шумов вследствие непостоянства контактного сопротивления переменного резистора. Поэтому плавную потенциометрическую регулировку не следует вводить в цепи с минимальным напряжением сигнала ниже сотен микровольт и использовать в широкополосных усилителях.
Дополнительный материал к лекции 8 для самостоятельной работы
Фазоинверсный каскад с эмиттерной связью
В схеме с эмиттерной связью (рисунок 1.52) ведущее плечо построено на транзисторе VT1 с общим эмиттером, а ведомое — на транзисторе VT2 с общей базой.
Транзистор VT1 усиливает напряжение входного сигнала и переворачивает по фазе. Сигнал U'вых с коллектора транзистора VT1 поступает через разделительный конденсатор С'с на вход верхнего плеча двухтактного оконечного каскада.
Эмиттеры транзисторов соединены, и в их общую эмиттерную цепь включено сопротивление эмиттерной связи Rэ.общ.. С него снимается входной сигнал на ведомый транзистор VТ2. База этого транзистора соединяется по сигналу с общим проводом через резистор R"б2, зашунтированный конденсатором большой емкости Сб. Элементы в цепи базы создают также необходимое начальное смещение база — эмиттер.
Сигнал, снимаемый с Rэобщ на эмиттер транзистора VТ2, повторяет по фазе входной сигнал UBX, а схема с общей базой не переворачивает фазу сигнала. Таким образом выходное напряжение U"вых оказывается в противофазе с U'вых.
Равенства выходных сигналов плеч добиваются выбором соответствующей величины сопротивления эмиттерной связи Rэ общ.
В режиме покоя Rэ общ. создает эмиттерную стабилизацию коллекторных токов обоих транзисторов при их старении, замене и изменении температуры.
При усилении сигнала резистор Rэсбщ создает отрицательную обратную связь по току в ведущем плече на транзисторе VТ1. Напряжение обратной связи пропорционально разности переменных токов эмиттеров двух транзисторов.
Входной сигнал транзистора VТ2 также создается разностью этих токов; его действующее значение равно:
U'вх = ( I'э - I"э ) Rэ. общ. , ( 1.55 )
118
Рисунок 1.52 - Фазоинверсная схема с эмиттерной связью транзисторов ОЭ
и ОБ
причем должно соблюдаться условие I'э> I"э.
В этом случае I'к > IК" и, следовательно, при Rк' = RK" принципиально должна
существовать некоторая асимметрия выходных напряжений плеч:
U'вых> U"вых .
Коэффициент асимметрии обратно пропорционален сопротивлению' .чмиттерной связи: чем больше Rэобщ, тем при меньшей разности токов эмиттеров на нем создается требуемый входной сигнал для транзистора VТ2.
Допустимый коэффициент асимметрии составляет 2—5%. Уменьшение асимметрии за счет увеличения Rэ.общ ограничивается возрастанием потерьэнергии от источника питания, так как через Rэобщ протекает суммарный ток покоя двух транзисторов. Сопротивление эмиттерной связи создает за счет обратной связи по току также автоматическую стабилизацию рассчитанной первоначально степени асимметрии выходных напряжений при изменении
параметров плеча на транзисторе VТ2 .
Предположим, что при старении или замене транзистора VТ2 уменьшился ток Iк", а значит, и напряжение U"BbIX по сравнению с U'вых, так что асимметрия увеличилась. Это вызовет увеличение разностного тока Iэ' — Iэ" и входного напряжения транзистора VТ2. В результате увеличится U"вых и асимметрия уменьшится. Фазоинверсные схемы, в которых за счет обратной связи автоматически поддерживается балансировка плеч, называют автобалансными.
Точность балансировки повышается с увеличением Rэобщ..
К преимуществам схемы с эмиттерной связью следует отнести малые нелинейные искажения и фон переменного тока, стабилизацию заданной степени симметрии выходных напряжений, возможность получения такого же максимального неискаженного сигнала, как в резисторном каскаде.
В то же время, несмотря на применение двух транзисторов, коэффициент усиления напряжения на одно плечо схемы получается небольшим — примерно вдвое меньше, чем в резисторном каскаде и фазоинверсной схеме на двух транзисторах ОЭ. Это объясняется тем, что фактически входное напряжение схемы равно сумме входных напряжений VТ1 и VТ2, так что U'BX ≈ U"вх ≈ 1/2 UBX. Кроме
119
того, входное сопротивление схемы ОБ мало, что уменьшает коэффициент усиления ведущего плеча на транзисторе VТ1.
Истоковый повторитель с улучшенным режимом по постоянному току
У простой схемы истокового повторителя на рисунке 1.53 весьма ограниченный диапазон, в пределах которого может колебаться выходное напряжение. Это происходит из-за неправильного режима покоя по постоянному току. В идеальном случае потенциал истока должен был бы находиться посредине между землей и напряжением питания и быть порядка +4 В. Но в случае, когда затвор привязан к земле, потенциал истока не может быть больше приблизительно +2 В; в противном случае транзистор окажется в режиме отсечки. Режим по постоянному току можно улучшить, подключая резистор цепи затвора только к части сопротивления в цепи истока, как показано на рисунке 1.53. В этой схеме напряжение смешения затвора величиной 1-2 В, необходимое для полевого транзистора, образуется на R2 - 1-килоомном резисторе, тогда как на оставшейся части резистора R3 в цепи истока (3,3 кОм) падает примерно 3 В, так что потенциал истока, как в идеальном случае, находится посредине между землей и напряжением питания. Это простое усовершенствование дает дополнительный выигрыш, заключающийся в том, что посредством резистора в цепи затвора R1 величиной 2,2 МОм частично осуществляется следящая обратная связь, поскольку потенциал нижнего вывода этого резистора колеблется с амплитудой, составляющей примерно ¾ от величины выходного сигнала. В результате его эффективное сопротивление возрастает приблизительно в четыре раза и выходное сопротивление оказывается в районе 10 МОм. Путем простого увеличения сопротивления R1 в цепи затвора легко получить значения входного сопротивления в сотни мегаом без какого – либо изменения режима по постоянному току.
Рисунок 1.53 – Схема истокового повторителя с улучшенным режимом по
постоянному току
120
Вопросы для самопроверки
Почему коэффициент усиления ФИК с разделенной нагрузкой меньше единицы ?
Какие достоинства ФИК с эмиттерной связью ?
Нарисуйте схему фазоинверсного каскада с разделённой нагрузкой и поясните принцип работы.
Нарисуйте схему фазоинверсного каскада на двух транзисторах с общим эмиттером.
Нарисуйте схемы эмиттерных повторителей и поясните принцип их работы.
6 Перечислите достоинства плавной потенциометрической регулировки
усиления
7 Назовите недостатки плавной потенциометрической регулировки
усиления.
8 Что называют глубиной регулировки усиления ?
9 В каких случаях используют потенциометрическую регулировку
последовательным переменным резистором, и в каких – параллельным ?
Примеры задач до темы лекции 8
Задача 1
В схеме истокового повторителя на полевом транзисторе с р-п переходом ( рисунок 1.54 ) использован транзистор с крутизной стокозатворной характеристики 12 мА / В. Величина резистора R1=2 МОм,
R
2=
2кОм, R3=
100 Ом. Определить усилительные параметры
истокового повторителя.
Рисунок 1.54 - Схема истокового повторителя
121
Решение : Для истокового повторителя из усилительных параметров имеют смысл коэффициент передачи по напряжению, входное и выходное сопротивления.
1 Коэффициент передачи по напряжению
Кu = [SUзи( Rи//Rн)]/[Uзи+SUзи(Rи//Rн)] =
S(Rи//Rн)/[1 + S(Rи//Rн)].
Подставим крутизну в миллиамперах на вольт, а сопротивление – в килооммах, вычислив предварительно эквивалентное сопротивление в цепи истока:
Rи//Rн = ( 2 0,1) / (2 +0,1 ) = 0,095 кОм ,
Кu = ( 12 0,095) / ( 1 + 12 0,095) ≈ 0,53
2 Входное сопротивление истокового повторителя
Rвх≈R1 = 2 М Ом,
3 Выходное сопротивление
Rвых = Rи/ ( 1 + SRи ),
Rвых = 3 /( 1 + 12 3) = 0,081 кОм.
Близкий результат дает упрощенная формула
Rвых≈ 1 / S,
Rвых≈ 1/12 ≈ 0,083 кОм.
Задача 2
Определить выходное напряжение в схеме эмиттерного повторителя
( рисунок 1.55) при Uвх=0, если падения напряжения на открытом эмиттерном переходе в режиме R1 равны Uбэ = 0,6 В, UR1 = 5,4 В. Напряжение источника питания Ек = 10 В.
Решение : Выходное напряжение в схеме эмиттера повторителя равно
Uвых = Uэ = Ек - Uбэ - UR ,
122
Uвых = 10 – 0,6 – 5,4 = 4 В
Рисунок 1.55 - Схема эмиттерного повторителя
Задача 3
Определить сопротивление резистора R1 в базовой цепи транзистора, при котором на выходе схемы эмиттерного повторителя ( рисунок 1.55) при
Uвх =0 создается напряжение Uвых = Uэ = 5 В. Сопротивление резистора R2 = 1 кОм. Напряжение источника питания Ек = 12 В. падение напряжения Uбэ=0,6 В. Коэффициент усиления транзистора по току h21э=50.
Решение :
1 Падение напряжения на резисторе R1
Ек = UR1 + Uбэ + Uэ ,
UR1 = Ек - Uбэ - Uэ ,
UR1 = 12 – 0,6 - 5 = 6,4 В
2 Ток базы транзистора Iб равен
Uэ =IэRэ = Iб ( h21э + 1 ) R2 ,
Iб = Uэ /( h21э + 1 ) R2 ,
123
Iб = 5 / ( 50 + 1)1 103 =0,1 10-3,
3 Величина резистора R1 равна
UR1 = Iб R1 ,
R1 = UR1 / Iб ,
R1 = 6,4 / 0,1 10 -3 = 64 кОм
Задачи для самостоятельной работы
1 В схеме истокового повторителя на полевом транзисторе с р-п переходом ( рисунок 1.54 ) использован транзистор с крутизной стокозатворной характеристики 16 мА / В. Величина резистора R1=3 МОм,
R2= 4кОм, R3= 200 Ом. Определить усилительные параметры истокового повторителя.
2 Определить сопротивление резистора R1 в базовой цепи транзистора, при котором на выходе схемы эмиттерного повторителя ( рисунок 1.55) при
Uвх =0 создается напряжение Uвых = Uэ = 6 В. Сопротивление резистора R2 = 2 кОм. Напряжение источника питания Ек = 14 В. падение напряжения Uбэ=0,6 В. Коэффициент усиления транзистора по току h21э=60.
3 Определить выходное напряжение в схеме эмиттерного повторителя
( рисунок 1.55) при Uвх=0, если падения напряжения на открытом эмиттерном переходе в режиме R1 равны Uбэ = 0,6 В, UR1 = 6,4 В. Напряжение источника питания Ек = 12 В.
Литература
Гольцев В.Р.,Богун В.Д.,Хиленко В.И. Электронные усилители. -М.: Стандарты, 1990. с.90... 105.
Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок.-М.:Искуство, 1979. с.174...180,184... 188,206...207.
3 Долженко О.В., Королев Г.В. Сборник задач и упражнений по
Радиоэлектронике : Учеб. пособие для сред. ПТУ.- 2-е изд., перераб. и доп.
М.: Высш.шк., 1986. –39....42.
4 Джонсон М.Х. Электроника – практичный курс. М.: Постиаркет, 1999.-
528с. – 110 – 114.