2.4.2.. Двухтактный выходной каскад

Основной задачей усилителя мощности является передача в нагрузку заданной мощности при малых нелинейных искажениях и высоком КПД схемы.

Для связи с нагрузкой в классической схеме усилителя мощности до недавнего времени использовались согласующие трансформаторы, недостатками которых были большие габариты и вес, создание электромагнитных помех и ограниченные возможности миниатюризации.

Обычный каскад с одним усилительным прибором не может обеспечить КПД более 50%. В тех случаях, когда экономичность усилителя оказывается важным требованием, широко применяются двухтактные схемы, основанные на симметричной противофазной работе двух усилительных приборов. В двухтактных схемах наряду с режимом класса А, когда каждое плечо усиливает и положительную, и отрицательную полуволну сигнала, возможен режим класса В, отличающийся поочерёдной работой двух плеч: одного - для усиления положительных полуволн, другого - отрицательных. В последнем случае КПД может достигать 70-75%.

Рассмотрим схему (рис. 2.4), где имеются два комплементарных транзистора: через n-p-n транзистор проходят положительные полуволны, а через p-n-p транзистор – отрицательные полуволны входного сигнала.

Рис. 2.5. Схема двухтактного каскада усиления мощности

В усилителях мощности стремятся использовать классы усиления

В или АВ, при которых режим покоя выбирается вблизи области отсечки транзистора, что обеспечивает малый ток покоя, малое потребление мощности при отсутствии входного сигнала и, следовательно, высокий КПД.

Для работы в режиме АВ вместо того, чтобы непосредственно соединять базы одну с другой, их разделяют парой диодов, смещенных в прямом направлении, которые как раз и обеспечивают достаточное напряжение смещения для транзисторов (примерно 0,6 В).

Достоинства схемы: симметричность; малый ток покоя (при отсутствии входного сигнала оба транзистора заперты);высокий КПД при использовании режима класса В; малое выходное сопротивление; высокое входное сопротивление.

Недостатки схемы:

- малый коэффициент усиления по напряжению; использование двухполярного источника питания или двух источников питания;

- необходимость термостабилизации тока покоя транзисторов для предотвращения их пробоя;

- в большинстве случаев - малое усиление по току;

- отсутствие достаточного ассортимента комплементарных пар транзисторов.

Лекция 3. Обратные связи в усилителях и их влияние на параметры.

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью в усилителях называют подачу части или всего выходного сигнала усилителя на его вход. На рис 1 изображена структурная схема усилителя с обратной связью.

Рис1, Структурная схема усилителя с последовательной ООС по напряжению

Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными.

Если при наличии обратной связи входное напряжение складывается с напряжением обратной связи, в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение, то такую обратную связь называют положительной.

Если после введения обратной связи напряжения на входе и на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием напряжения обратной связи из входного напряжения, то такую обратную связь называют отрицательной.

По способу формирования сигнала ОС все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току. По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя все обратные связи подразделяются на последовательные, при которой цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями усилителя, и параллельные, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

Рассмотрим влияние ООС по напряжению на коэффициент усиления усилителя. При ООС по напряжению для входной цепи усилителя рис (6.6) можно составить уравнение

С учетом равенства выражение можно переписать в виде

Очевидно, для усилителя без обратной связи Uвх = U₁, поэтому коэффициент усиления усилителя без обратной связи . Учитывая это, запишем выражение для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:

Разделив в последнем выражении числитель и знаменатель на U1, получим

Из этой формулы следует, что введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя 1+βK раз.

Аналогично можно показать, что коэффициент усиления усилителя с положительной ОС

.

Как видно из этого выражения, введение ПОС повышает коэффициент усиления усилителя. Однако ПОС 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 ООС существенно улучшаются свойства усилителя:

а) повышается стабильность коэффициента усиления при изменениях параметров транзисторов;

б) снижается уровень нелинейных искажений

в) увеличивается входное сопротивление и уменьшается выходное

г) снижаются частотные искажения и расширяется полоса пропускания

Рис. 3, Изменение АЧХ усилителя при введении ООС

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение:

Приращение

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с оос

Отсюда видно , что всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием ООС в 1+βK раз.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления К, в том числе связанных с неравномерностью частной характеристики. Поэтому в таком усилителе с обратной связью расширяется полоса пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот, уменьшаются частотные искажения.

Это выражение свидетельствует о том, что при глубокой ООС коэффициент усиления усилителя не зависит от коэффициента усиления К, т.е. не зависит от причин, вызывающих изменение коэффициента усиления.

Аналогично можно показать, что в случае ПОС стабильность коэффициента усиления ухудшается .

Отрицательная обратная связь уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Это можно объяснить следующим образом. В усилителе без ОС при большом входном напряжении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении помимо основной гармоники появляются высшие гармонические составляющие, наличие которых искажает форму выходного напряжения. При введении ООС высшие гармонические составляющие, наличие которых искажает форму выходного напряжения, через звено обратной связи подаются на вход усилителя и усиленными появляются на его выходе. Усиленные высшие гармоники вычитаются из выходного напряжения усилителя, так как благодаря действию ООС они будут поступать в противофазе с высшими гармоническими составляющими, появляющимися вследствие нелинейных искажений усилителя. Таким образом, содержание гармоник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а, следовательно, искажения усиливаемого напряжения в усилителе с ООС будет меньше.

На рис 2 показана схема усилителя с параллельной ООС по току. Как видно,

U _ос = R _ос * I _вых

Рис.2. Структурная схема усилителя с параллельной ООС по току

Такая обратная связь возникает только при наличии выходного сигнала, т.е. при работе усилителя на нагрузочное устройство.

Для усилителя с ООС по напряжению выходное сопротивление уменьшается

До сих пор рассматривались обратные связи, создаваемые в усилителях специально. Ниже будут рассмотрены паразитные ОС , которые возникают в усилителе самопроизвольно и очень часто существенно ухудшают его работу.

Существует несколько видов паразитных ос:

1. Паразитная связь между каскадами через цепи питания;

2. Емкостная связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

Если в усилителе имеется слабая положительная ОС, то ухудшение его работы проявляется в увеличении частотных и нелинейных искажений. Когда же в усилителе появляется сильная паразитная ОС βК , он может самовозбудиться, т.е. в отсутствие входного напряжения на выходе усилителя может появиться переменное выходное напряжение.

Наиболее серьезной паразитной ОС является связь между каскадами через цепи питания. Такая связь обычно имеется в многокаскадном усилителе, питающемся от одного источника питания. В этом случае токи всех каскадов усилителя замыкаются через источник питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания заметное падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, образуя нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения такого вида обратных связей применяют развязывающие Г – образные RС- фильтры, как при сглаживании пульсаций напряжения в выпрямителе. Иногда первые каскады даже питают от отдельного выпрямителя.

Емкостные и индуктивные ОС возникают из-за нерационального монтажа, когда в многокаскадном усилителе выходные цепи усилителя расположены вблизи от его входных цепей , что приводит к возникновению заметной емкости и взаимной индуктивности между элементами входной и выходной цепей. Такие виды обратной связи устраняют в основном рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя. Для этого индуктивные катушки, трансформаторы, соединительные провода и выходные цепи помещают в специальные экраны.

В заключении отметим , что устранять паразитные ОС довольно сложно, это требует большого практического опыта.

Лекция 4. Операционные усилители

Операционный усилитель – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к воображаемому «идеальному усилителю».

На рис. 4.1 показаны внешние выводы операционного усилителя:

• +15, –15 – выводы для напряжений питания;

• FC – частотная коррекция. Эти выводы используются для предотвращения генерации операционного усилителя, если он не имеет внутренней коррекции;

• NC – установка нуля (null correction);

• Выход – вывод, с которого снимается усиленное напряжение.

Рис. 4.1. Цоколевка операционного усилителя

Свойства идеального усилителя:

1. Бесконечный коэффициент усиления по напряжению.

2. Бесконечное полное входное сопротивление.

3. Нулевое полное выходное сопротивление.

4. Равенство нулю выходного напряжения (U_вых = 0) при равных напряжениях на входах (U_{вх 1} = U_{вх 2}).

5. Бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), превышающий 10000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности. Например, операционный усилитель К140УД9 имеет параметры:

Uпит, В	Iпотр, мА	U вх max, В	U вых max, В	Rн min, кОм	Rвх, кОм	Iвх, мкА;
	8			1	0,3	0,35

Для операционного усилителя вводят понятия дифференциального и синфазного сигналов. Дифференциальным называется разнополярный сигнал, а синфазным сигналом является сигнал одинаковой величины и полярности, подаваемые между входами ОУ. Идеальный ОУ не усиливает синфазный сигнал (k_синф → 0). Реакция на синфазный сигнал связана с неидеальностью ОУ, но существенно проявляется при больших синфазных напряжениях.

Допустимое значение синфазного сигнала указывается в технических условиях (ТУ). Для современных качественных усилителей нормируется коэффициент подавления синфазного сигнала.

Рис. 4.2. АЧХ операционного усилителя	Рис. 4.3. Передаточная характеристика для дифференциального сигнала.

Неидеальность ОУ характеризуется также наличием входных токов и их разностью ΔI_вх, обуславливая ошибку при передаче маломощных сигналов

Интегральные ОУ давно уже стали основными элементами, «кирпичиками» аналоговых электронных устройств. Начиная от первого интегрального ОУ μА702 (1963 г.), в мире разработаны и производятся многие сотни моделей интегральных ОУ, параметры которых порой значительно различаются.

Параметры, характеризующие качество ОУ, можно разделить на четыре группы: точностные, динамические, эксплуатационные и параметры, характеризующие усиление сигналов переменного тока.

К точностным параметрам относятся:

• дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_u,

• коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС,

• напряжение смещения нуля U_CM,

• входной ток I_вх,

• разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I_р,

• коэффициент подавления нестабильности питания К_{п п},

• коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров, временные дрейфы, а также шумовые параметры.

К точностным параметрам иногда относят входное сопротивление ОУ. дифференциальное и синфазное, а также выходное сопротивление. Отличие точностных параметров от идеальных проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного. Для удобства сопоставления погрешность обычно приводят к входу ОУ.

Динамические параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на две группы: параметры для малого и большого сигналов.

К первой группе динамических параметров относятся: полоса пропускания f_n, частота единичного усиления f₁ (или произведение усиления на полосу пропускания ) и время установления t_y. Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (dU_вых < 0,2 В).

Полосой пропускания называется диапазон частот, на границах которого коэффициент усиления снижается в раз по сравнению с его значением в середине полосы (К_о):

Ко/ =0.707*Ко

Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения

и мощностная полоса пропускания f_р. Эти параметры измеряются при большом выходном сигнале ОУ (более 2 В).