Методическое пособие 286

уменьшения тока, протекающего через транзистор. При использовании перечисленных мер коэффициент усиления единичного усилительного каскада достаточно легко достигает значения 500…1000 раз.

При введении в усилительный каскад местных обратных связей, повышающих термостабильность, следует учитывать их влияние на KU ОС или применять меры, исключающие ослабление усиливаемого переменного сигнала сопротивлением местной обратной связи. В общем случае величина коэффициента усиления зависит от применяемого транзистора и положения рабочей точки.

В случаях, если все-таки KU недостаточно, следует пойти на увеличение числа каскадов предварительного усиления, хотя большинство ТЗ реализуется по классической структурной схеме (рис. 5).

Рис. 5. Трехкаскадная структура УНЧ

Выходная мощность усилителя – это мощность электрических колебаний в нагрузке усилителя. В зависимости от нагрузки усилителя (типа оконечного устройства) выходная мощность может изменяться в широких пределах: от милливатт до сотен ватт. Максимальная мощность, которую можно получить на выходе усилителя при допустимом уровне искажений сигнала, называется номинальной мощностью.

Диапазон частот или полоса пропускания усилителя ПF – это полоса частот, на границах которой коэффициент усиления напряжения электронного усилителя уменьшается по отношению к наибольшей величине в установленное число раз. Чаще всего устанавливают допустимым уменьшение коэффициента усиления на границах полосы пропускания на 3 дБ или в 1,41 раза. При таком снижении коэффициента усиление человеческое ухо не воспринимает искажений речевого

10

сигнала. Необходимая полоса частот определяется назначением усилителя. УНЧ радиоприемников связных и командных радиостанций имеют диапазон частот от 300 до 3400 Гц. Такая полоса пропускания обеспечивает получение внятной и разборчивой речи.

Под искажениями, вносимыми усилителями, следует понимать изменение формы сигнала на выходе усилителя по сравнению с формой входного сигнала.

В зависимости от причин, вызывающих изменение формы сигнала, различают следующие виды искажений: линейно частотные и фазовые и нелинейные.

Частотные искажения. Любой сложный сигнал можно представить в виде набора гармонических составляющих, отличающихся своими параметрами: амплитудой, частотой и фазой. При прохождении через усилитель все гармонические составляющие сигнала должны усиливаться одинаково. В этом случае форма сложного сигнала не изменится. Усилитель, у которого коэффициент усиления остается постоянным во всем диапазоне частот, является идеальным. Коэффициент усиления реального усилителя уменьшается на границах диапазона рабочих частот, что является причиной возникновения частотных искажений. Это уменьшение вызвано наличием в схеме усилителя частотно-зависимых реактивных сопротивлений: емкостей и индуктивностей.

Для количественной оценки уровня частотных искажений применяют коэффициент частотных искажений М, который равен отношению коэффициента усиления в области средних частот к коэффициенту усиления на частоте f:

М = K0 / K.

Поскольку наибольшие частотные искажения возникают на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на крайних нижней и верхней частотах диапазона:

11

Мн = K0 / Kн; Мв = K0 / Kв.

частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений всех каскадов:

Мобщ = М1 М2…Мп;

Мн. общ = Мн1 Мн2…Мнп;

Мв. общ = Мв1 Мв2…Мвп.

Коэффициент частотных искажений можно определять в логарифмических единицах:

М|дБ| = 20lg М.

Допустимая величина частотных искажений определяется назначением усилителя. Допустимым уровнем частотных искажений считается Мн. = Мв. = 3 дБ. В этом случае полоса пропускания усилителей определяется на уровне 0,707 от K0.

Важным параметром усилителя является Коэффициент полезного действия усилителя ŋ, численно определяемый отношением полезной мощности Р, отдаваемой усилителем в нагрузку, к мощности Р0, отдаваемой источником питания:

ŋ= Р / Р0.

Спомощью коэффициента полезного действия оценивают экономичность усилителя.

12

2.2.Расчет усилителя низкой частоты

Вкачестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут быть микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя (рис. 1) кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления. Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако вследствие большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются редко.

Входной каскад ставится на входе усилителя для увеличения входного сопротивления усилителя.

Вкаскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада

собщим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 7.

Данная схема получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы

13

отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора Rб практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе, представленная на рис. 8. В этой схеме резисторы б′ и б′′ подключенные параллельно источнику питания Ек составляют делитель напряжения, который должен обладать достаточно большим сопротивлением, иначе входное сопротивление каскада окажется малым.

Рис. 7. Схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника

Рис. 8. Схема с фиксированным напряжением смещения на базе

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фак-

14

тор – влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из них реализуются с помощью схем, показанных на рис. 9-11.

Рис. 9. Схема c терморезистором

В схеме на рис. 9 терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь таким образом, что при повышении температуры происходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происходит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора.

Рис. 10. Схема с диодом

Одна из возможных схем термостабилизации с помощью полупроводникового диода показана на рис. 10. В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температурная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора

15

транзистора. При смене транзистора стабильность ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора.

Рис. 11. Схема с цепочкой эмиттерной стабилизации RэСэ

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, показанная на рис. 11. В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора б′ включено напряжение, возникающее на резисторе Rэ при прохождении через него тока эмиттера. Пусть, например, при увеличении температуры постоянная составляющая коллекторного тока возрастет. Увеличение тока коллектора приведет к увеличению тока эмиттера и падению напряжения на резисторе Rэ. В результате напряжение между эмиттером и базой уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы, а следовательно, тока коллектора. В большинстве случаев резистор Rэ шунтируется конденсатором большой емкости. Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора Rэ.

Для УНЧ задача выбора структуры [5,7,9-12] при реализации типового учебного технического задания является более простой, так как большинство схем простых УНЧ построены по трехкаскадной схеме (рис. 5, 12) [8-14]. Обычно в качестве входного каскада используется дифференциальный усилитель, так как с его помощью легко ввести в схему УНЧ общую отрицательную обратную связь (ООС).

16

составные транзисторы выпускаются в виде отдельных приборов. Например, широко используется составной транзистор КТ827.

Рис. 13. Схема на составном транзисторе (схема Дарлингтона)

Составные транзисторы находят применение в эмиттерных повторителях. Замена одиночного транзистора в эмиттерном повторителе схемой Дарлингтона увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивления схемы.

Выходной каскад – двухтактный общий коллектор. Однако некоторые варианты могут потребовать увеличения числа каскадов предварительного усиления. Причем окончательное решение об увеличении числа каскадов предварительного усиления может быть принято только после полного расчета составленной принципиальной схемы усилителя.

Принципиальное требование к разрабатываемой схеме усилителя – непосредственная гальваническая связь между каскадами [5,7,9,13]. Это связано не только с тем, что разделительные конденсаторы могут являться причиной линейных искажений (искажения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), переходной и фазовой характеристик). В основном это связано с требованиями работоспособности в заданном интервале температур (термостабильности), требованиями равномерности АЧХ в рабочей полосе частот, а также с выполнением требований по нелинейным искажениям. При непосредственной связи между каскадами введение общей отрицательной обратной связи позволяет легко выполнить требования ТЗ.

18