Дифференциальный усилитель

Еще одной распространенной схемой усилительного каскада является дифференциальный усилитель. Схема дифференциального усилителя получила распространение благодаря высокой помехоустойчивости входного дифференциального сигнала. Еще одним преимуществом данной схемы усилительного каскада является возможность применения низковольтных источников питания. Дифференциальный усилитель образуется при соединении эмиттеров двух транзисторов на едином сопротивлении или генераторе тока. Один из вариантом усилительного каскада, реализованного в виде дифференциального усилителя приведен на рисунке 6.

  Рисунок 6 Схема дифференциального усилителя

Усилительные каскады, построенные по схеме дифференциального усилителя широко применяются в современных интегральных схемах, таких как операционные усилители, усилители промежуточной частоты и даже полностью функциональные узлы, такие как приемник ЧМ синалов, радиотракт сотовых телефонов, высококачественные смесители частоты и т.д. Подробнее...

Двухтактный усилитель

В двухтактном усилителе может быть использован любой из режимов работы транзистора, однако чаще всего в этой схеме каскада усилителя используется режим работы B. Это связано с тем, что двухтактные каскады применяются на выходе усилителя, где требуется повышенная экономичность работы (высокий к.п.д. усилительного каскада). Двухтактные усилители реализуются как на транзисторах с одинаковой проводимостью, так и с разной проводимостью транзисторов. Схема одного из самых распространенных видах двухтактных усилителей приведена на рисунке 7.

  Рисунок 7 Схема двухтактного усилителя

Схемы двухтактных усилителей позволяют значительно уменьшать уровень четных гармоник входного сигнала, поэтому данная схема усилительного каскада получила значительное распространение, однако схема двухтактного усилителя широко применяется и в цифровой техники. В качестве примера можно привести КМОП-микросхемы. Подробнее...

13. Схемы включения каскадов на полевых транзисторах.

14. Усилители с емкостной связью.

15. Анализ влияния дестабилизирующих факторов на работу усилительных каскадов.

16. Многокаскадные усилители. Способы реализации межкаскадных связей.

Писать не все.только основное и выборочно!!!!!!!!!!!

На практике в устройствах промышленной электроники в большинстве случаев для получения необходимой полезной выходной мощности в нагрузке одного каскада недостаточно. Поэтому применяют многокаскадные усилители, собираемые из нескольких последовательно соединенных одиночных усилительных каскадов. В блок-схеме (рис. 1) в качестве датчиков, преобразующих почти любой неэлектрический сигнал во входной электрический сигнал могут использоваться различные источники ЭДС, например микрофон, антенна, фотоэлемент, фотодиод, фоторезистор, фотоэлектронный умножитель, терморезистор, тензорезистор, тахогенератор, пьезоэлектрический преобразователь, считывающая головка с магнитофонной, перфорированной или фотографической ленты, биотоки, индуктивные или емкостные датчики давления, перемещения, плотности уровня и т. д.

В качестве нагрузки можно подключать в выходную цепь каскада УМ комплексные активно-реактивные нагрузки (R, RL, RС, РСL), например обмотку громкоговорителя, фидерную или абонентскую сеть, самописец, обмотку электромагнитного реле, или шагового (искателя) двигателя, или электроконтактора, обмотку возбуждения электродвигателя, различные контрольно-измерительные приборы, блоки развертки луча осциллографа или телевизора, световые индикаторы и т. д.

В блок-схеме многокаскадного усилителя первый входной каскад t предназначен для согласования сопротивления датчика входного сигнала со входным сопротивлением усилителя при одновременном усилении входного сигнала по току или напряжению. 

Рис. 1. Блок-схема многокаскадного усилителя

 

Последний - оконечный, или выходной, каскад является каскадом усиления мощности, передаваемой в полезную нагрузку.

Все остальные промежуточные каскады, включая предоконечный каскад, обеспечивают усиление полезного сигнала по напряжению или току до величины, необходимой для оптимальной работы выходного каскада, при которой отбирается в нагрузку максимально возможная полезная мощность каскада при допустимой величине  нелинейных искажений.

На блок-схеме пунктиром показаны цепи отрицательной обратной связи b₁ и b₂, которые, уменьшая коэффициент усиления, улучшают другие более важные качественные показатели усилительного устройства.

Многокаскадные усилители характеризуются следующими признаками, параметрами и характеристиками. По разным признакам различают:

1) усилители на электронных усилительных лампах, на транзисторах, на тиристорах, на туннельных диодах, на микросхемах и т. п.;

2) по количеству усилительных каскадов - двух-, трех- и более каскадные усилители;

3) по частотным свойствам - усилители напряжения или тока низкой частоты (НЧ), высокой частоты (ВЧ), промежуточной частоты (ПЧ), ультразвуковой частоты (УЗКЧ), узкополосные и широкополосные усилители, усилители постоянного тока (УПТ);

4) по виду межкаскадной связи - усилители с RС-связью, в которых применяются разделительные конденсаторы между каскадами; усилители с трансформаторной связью между каскадами; усилители с полосовым колебательным контуром связи между каскадами; усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами;

5) по виду используемой последовательной или параллельной отрицательной обратной связи по напряжению или току;

6) по режимам работы в классах А, В, АВ, С, Д;

7) по соотношению величины входного сопротивления первого каскада R_{вх к-да}, сравнительно с величиной сопротивления датчика R_г входного сигнала различают: а) режим холостого хода (хх), когда R_{вх к-да} >> R_г; б) режим короткого замыкания (кз), когда R_{вх к-да} << R_г; в) режим согласования, когда R_{вх к-да} » R_г, при котором от датчика входного сигнала передается на вход усилителя наибольшая входная мощность сигнала;

8) по соотношению величины выходного сопротивления со стороны выходных клемм усилителя сравнительно с величиной сопротивления нагрузки Rн различают следующие режимы работы:

а) режим хх, когда R_вых << R_н;

б) режим кз, когда R_вых >> R_н;

в) режим согласования, когда R_вых » R_н.

Приведем основные характеристики многокаскадных усилителей.

1. Амплитудная характеристика, показывающая зависимость величины выходного напряжения усилителя от величины входного напряжения при постоянной частоте усиливаемого сигнала, то есть U_вых = f(U_вх) при f = = соnst » 400 или 1000 Гц (рис. 2, а). Чтобы нелинейные  искажения не превышали допустимой величины, используется только линейный участок амплитудной характеристики.

2. Частотная (или амплитудно-частотная) характеристика, показывающая зависимость величины коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала при неизменной величине входного напряжения, то есть К = U_вых / U_вх = j(f) при U_вх = соnst.

На частотной характеристике, показанной на рис. 2, б, различают три области: а) область низкой частоты; б) область средней частоты; в) область верхней частоты.

Рис. 2. Характеристики усилителей: а - амплитудная; б - частотная

 (или амплитудно-частотная); в - фазовая

3. Фазовая характеристика, показывающая величину угла сдвига фазы j между фазой выходного сигнала и фазой входного сигнала в зависимости от частоты сигнала, то есть j = y(f).

Основными параметрами многокаскадных усилителей являются:

1. Общий коэффициент усиления по напряжению

К_u = U_вых / U_вх = U_{m вых} / U_{m вх} ,

где U_вх и U_mвх обозначают соответственно действующие и амплитудные значения выходных и входных напряжений усиливаемого сигнала.

2. Коэффициент усиления по току

К_i = I_{m вых} / I_m вх = I_вых / I_вх ,

где I_вых - ток в нагрузке, I_вх - ток во входной цепи усилителя.

3. Коэффициент усиления по мощности

К_p = К_i * К_u = Р_вых / Р_вх,

где Р_вых - полезная мощность, выделяемая в нагрузке; Р_вх полезная мощность, расходуемая во входной цепи усилителя.

4. Если коэффициенты усиления усилителя выражены в децибелах, то расчетные формулы имеют следующий вид:

К_u(дб) = 20lgК_u; Кi(дБ) = 20lgК_i; К_р(дБ) = 10lgК_р.

5. Коэффициент полезного действия, характеризующий экономичность усилителя:

а) электрический КПД

h_э = Р_вых / Р_о × 100% ;

б) промышленный КПД с учетом всех потерь в цепях усилителя

h_п = Р_вых / ( Р_о + Р_потерь ) × 100%,

где    R_вых = 0,5 * I²_{m вых}  * R_н - полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

      Р_о - мощность, потребляемая в выходной цепи усилителя;

       Р_потерь - мощность, расходуемая на накал ламп и во вспомогательных цепях усилителя.

6. Допустимый коэффициент частотных искажений для каждого каскада в области нижних М_н и верхних М_в частот, равный отношению коэффициента усиления в области средних частот К_ср к коэффициенту усиления каскада в области нижних и верхних частот (К_н и К_в), принимают равным

М_н = М_в = К_ср / К_н = К_ср / К_в = , что соответствует 3 дБ.

В многокаскадных усилителях общий коэффициент частотных искажений как в области нижних, так и в области верхних частот равен М_ус =   = М₁ * М₂ ... М_n, где n - число каскадов. В усилителях с реостатно-емкостной связью коэффициенты частотных искажений можно определить как для нижней граничной частоты, так и для верхней граничной частоты:

 

М_в = К_ср / К_в =  ... ламповый вариант;

М_в = К_ср / К_в =  ... транзисторный вариант.

Если принять допустимый коэффициент частотных искажений в пределах 1,05 ... 1,41, то соответствующие граничные частоты будут находиться в пределах

f_{н гр} = 

f_{в гр} = 

 

где для лампового усилителя t_н = С_разд * R_с;

t_в = С_вх R_экв; R_экв = R_а || R_i || R_c;

аналогично, с учетом особенностей транзисторных схем, можно для них определить постоянные времени в области нижних и верхних граничных частот.

7. Коэффициент нелинейных искажений оценивается величиной

Нелинейные искажения характеризуют степень искажения формы усиленного выходного напряжения (или тока) по сравнению с формой входного сигнала. Появление нелинейных искажений полезного сигнала объясняется нелинейностью вольт-амперных характеристик усилительных ламп или транзисторов при работе с большой амплитудой усиливаемого сигнала. Это явление наглядно показано на амплитудной характеристике, выражающей линейную зависимость выходного напряжения при малых амплитудах входного сигнала и нарушение линейности с увеличением амплитуды входного усиливаемого сигнала. Это явление приводит к появлению в выходном сигнале высших

8. Общий угол сдвига фаз между выходным и входным напряжениями многокаскадного усилителя как в области нижних, так и в области верхних частот равен j = j₁ + j₂ + ... + j_n.

9. Коэффициент шума и внешних помех усилителя, связанный с внутренними флуктуационными процессами движения носителей зарядов в активных и пассивных элементах, входящих в электрические цепи усилителей, а также вследствие пульсаций питающего напряжения и наводки электромагнитных полей от внешних источников. Наибольшее влияние оказывают шумы и помехи, возникающие в первом каскаде усилителя, так как они усиливаются далее всеми последующими каскадами усилителя.

СПОСОБЫ МЕЖКАСКАДНЫХ СВЯЗЕЙ

Усилители с непосредственными межкаскадными

связями

В многокаскадной усилительной схеме сигналы с выхода пред­шествующего каскада передаются на вход последующего. Простейшей межкаскадной связью, с помощью которой осуществляется эта передача, является непосредственная связь. В ней входной за­жим последующего каскада эквипотенциален с выходным предше­ствующего как на постоянном, так и на переменном токе.

 

Рисунок 1.30 Схемы усилителей с непосредственными

межкаскадными связями

К схемам с непосредственными межкаскадными связями относятся двухтранзисторный усилительный тракт ОЭ—ОБ (рис.1.30,а) в котором выходной (коллекторный) вывод первого каскада (каскада ОЭ на транзисторе VT1)непосредственно соединен с входным (базовым) зажимом второго каскада (каскада ОБ на транзисторе VT2). На рис. 1.30,б приведен вариант схемного построениям ОЭ—ОБ, работа которого требует наличия двух источников питания. В нем базовый вывод каскада ОБ непосредственно соединен с точкой нулевого потенциала, что упрощает по сравнению со схемой рис. 1.30,а структуру каскада, улучшает его частотные свойства в области НЧ.

Питание каскадов рис. 1.30, а, б организовано по, так называемой, схеме последовательного питания каскадов. При этой схеме выходные цепи каскадов образуют последовательное соединение, в результате в выходных цепях всех каскадов протекают практически одинаковые постоянные токи.

При питании каскадов по параллельной схеме выходные цепи каскадов по отношению к источникам питания образуют параллельное соединение, а выходные токи каскадов обычно имеют различающиеся значения. На рис. 1.31 приведены примеры такого построения схемы питания каскадов на постоянном токе для двухтранзисторных усилителей типа ОЭ—ОЭ. Схемы усилителей организованы как тракты с непосредственными межкаскадными связями. При этом в схеме рис. 1.31,б осуществлено чередование транзисторов по типу проводимости. Такое чередование позволяет обеспечить в многокаскадных схемах с непосредственными межкаскадными связями работу транзисторов в линейной области ВАХ при относительно невысоких значениях напряжений источников питания.

 

Рисунок 1.31

 

К достоинствам непосредственных межкаскадных связей сле­дует отнести простоту ее реализации, отсутствие при ее использо­вании низкочастотных искажений, возможность стабилизации ре­жимов работы на постоянном токе усилительного тракта в целом за счет охвата этого тракта общей петлей ООС. Непосредственная связь широко используется в усилителях постоянного тока и в ана­логовых микросхемах.

 

Усилители с гальваническими межкаскадными связями.

 

В аналоговых микросхемах и усилителях постоянного тока часто используется гальваническая межкаскадная связь, которая в отличие от непосредственной предполагает включение в цепь межкаскадной связи специальной потенциало-понижающей схемы, называемой схемой сдвига уровня (ССУ). Обычно в качестве ССУ используют резистивные цепи, прямо смещенные диоды или ста­билитроны. В отличие от непосредственной гальваническая меж­каскадная связь обеспечивает отличие постоянного потенциала на входе последующего каскада от соответствующего выходного по­тенциала предшествующего на определенную величину, называе­мую напряжением сдвига   .

Работу схемы сдвига уровня стараются организовать таким об­разом, чтобы она не влияла на прохождение сигнальных состав­ляющих. Примеры простейших схемных построений, обладающих указанными свойствами, приведены на рис. 1.32. В них в роли потенциальносдвигающего элемента использован стабилитрон VD1. Дифференциальное сопротивление стабилитрона пренебрежимо мало, в результате чего он практически не влияет на прохождение сигнальных составляющих.

 

Рисунок 1.32

Более подробно принципы организации схем сдвига уровня будут рассмотрены в главе, посвященной базовым схемным конфигурациям, используемым при построении аналоговых микросхем.

НАВСЯКИЙ СЛУЧАЙ !!!!!!!!!!!!

ве схемы многокаскадных усилителей.

В качестве примера на рис. 3 приведены две принципиальные электрические схемы многокаскадных усилителей: на биполярных транзисторах (а) и на полевых транзисторах (в).

В этих схемах усилителей в качестве первого входного каскада включен эмиттерный (катодный, истоковый) повторитель, который обеспечивает согласование высокоомного датчика сигнала со входным сопротивлением усилителя. Такой каскад, не усиливая входной сигнал по напряжению, усиливает его по току и мощности.

Все остальные каскады собираются по схеме с общим эмиттером (общим катодом, общим истоком), давая усиление и по току и по напряжению (транзисторный вариант), и в основном по напряжению (ламповый вариант).

Последний двухтактный каскад УМ (транзисторный вариант) и однотактный каскад УМ на лучевом тетроде (и полевом транзисторе) обеспечивают усиление сигнала по мощности, отдаваемой в нагрузку. 

 

 

Рис. 3. Две схемы многокаскадных усилителей;

 а - на биполярных транзисторах;

 в- на полевых транзисторах с и-каналом

 

В этих схемах между первым и вторым, между вторым и третьим каскадами применена резистивно-емкостная связь, в которую по переменной составляющей усиливаемого сигнала входят элементы, указанные далее в эквивалентной схеме (рис. 4).

Между третьим и четвертым - выходным - каскадами применена трансформаторная связь при помощи переходного трансформатора ТР1, которая обеспечивает повышение КПД каскада предварительного усиления, устраняет гальваническую связь между этими каскадами по постоянному току и напряжению, согласует величину выходного тока (транзисторный вариант) или напряжения (ламповый вариант) предоконечного каскада с необходимой величиной входного тока или входного напряжения выходного - оконечного - каскада.

При этом коэффициент трансформации ТР1 берется небольшой величины, около 2 ... 3.

Следует иметь в виду, что трансформаторная межкаскадная связь может давать резкий подъем частотной характеристики в области резонансной частоты трансформатора при соответствующей величине индуктивности и распределенной межвитковой емкости его обмоток.

Чтобы использовать это явление для компенсации завала частотной характеристики в области нижних или верхних частот, необходимо подбирать переходной трансформатор с резонансной частотой, соответствующей этим частотам. 

Рис. 4. Эквивалентная схема второго каскада а - транзисторного усилителя;

б -лампового усилителя

 

В выходную цепь оконечного каскада УМ (двухтактного - на биполярных транзисторах и однотактного на мощном лучевом тетроде) при помощи выходного трансформатора ТР2 включена нагрузка R_н (или Z_н).

Во всех схемах выходной трансформатор согласует величину сопротивления нагрузки R_н с выходным сопротивлением каскада, исходя из ранее указанного соотношения n²*R_н = R_экв откуда

Все предварительные каскады и однотактный каскад УМ работают в режиме класса А, а двухтактный каскад УМ на транзисторах может работать в классе А или с более высоким КПД в классе АВ1.

Если исключить из схемы двухтактного каскада УМ резисторы R5 , R6, то этот каскад будет работать в режиме класса В без начального смещения рабочей точки.

Для анализа частотной характеристики каждого каскада изображается его эквивалентная схема, то есть схема замещения каскада по переменным составляющим усиливаемого напряжения или тока.

При этом замещении источник питания Е_к (или Е_а - ламповый вариант) считается закороченным по переменным составляющим коллекторного (или анодного) тока, а транзистор замещается эквивалентным генератором тока i_г = - bI_вх и внутренним сопротивлением его R_г = R_{вх транз} или генератором напряжения (ламповый вариант) с ЭДС е_г = - bU_вх и внутренним его сопротивлением R_г = R_i, равным внутреннему сопротивлению усилительной лампы.

Пользуясь таким законом эквивалентного генератора, на рис. 4, а приведена эквивалентная схема второго каскада транзисторного усилителя (рис. 3, а) как эквивалентного генератора тока, а на рис. 4, б приведена полная эквивалентная схема второго каскада из лампового усилителя(рис. 3, б), где лампа представлена как генератор напряжения. Используя схему замещения лампового каскада и его типовую частотную характеристику, показанную на рис. 5, в качестве примера приведем анализ такой частотной характеристики.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада