книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

Поскольку

Таким образом, двухтактная схема на существенно нелинейных элементах в случае ее полной симметрии не вносит искажений в уси­ ливаемый сигнал.

Рис. 79.

6 0 + 276

Рис. 80.

Двухтактная схема не обязательно должна выполняться с исполь­ зованием суммирующего выходного трансформатора. Применяя в схеме транзисторы п — р — п н р — п — р типа, можно выпол­ нить ее бестрансформаторной.

В частности, на рис. 80, а дается схема двухтактного усилителя. Симметрирование схемы достигается подбором начальных токов изменением сопротивления резисторов R1 и R2. При воздействии синусоидального сигнала нижний транзистор (р — п — р) проводит

170

ток только во время отрицательного полупериода; во время положи­ тельного полупериода ток проходит через верхний (п — р — п) транзистор. Если параметры транзисторов идентичны, то форма тока в сопротивлении нагрузки незначительно отличается от формы напря­ жения воздействующего сигнала.

На рис. 80, б приводится схема бестрансформаторного двухтакт­ ного усилителя с одним источником питания.

Схема управляется двумя входными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 180°. Если на левом входе напряжение положительно, то на правом — отрицательно. При этом открыты транзисторы Т2 и ТЗ. При смене полярности открываются транзисторы Т1 и Т4 и транзи­ сторы Т2 и ТЗ запираются.

§ 58. Резонансные усилители

Для усиления гармонических сигналов и сигналов с узкой эффек­ тивной шириной спектра применение широкополосных апериодиче­

0 w„ wp Wj

Рис. 81.

получить достаточно большое усиление (особенно на высоких часто­ тах в единицы — десятки мегагерц), и существенно возрастают собст­ венные шумы, мощность которых прямо пропорциональна полосе пропускания. Поэтому для усиления узкополосных сигналов при­ меняются усилители с резонансными LC контурами. Использование резонансных контуров позволяет существенно повысить коэффи­ циент усиления (за счет резонансного увеличения токов и напряже­ ний) и сузить полосу пропускания до минимально допустимой.

LC контур может быть выполнен как последовательный (рис. 81, а) или как параллельный (рис. 81, б).

Коэффициент передачи последовательного контура

171

где г —сопротивление катушки индуктивности.

коэффициент передачи составляет 0,707 от максимального. Ширина полосы пропускания зависит от добротности контура и определяется

172

Обычно Л ^> р и р ^> г, поэтому комплексный коэффициент пере­ дачи

с параллельным контуром отличается от выражения, определя­ ющего К (со) для схемы с по­ следовательным контуром, лишь

множителем . Проводя

ИСОр

аналогию дальше, можем убе­ диться, что в момент резонан­

ра, и полоса пропускания опре­ деляется так же.

Вмомент резонанса происходит не только резонансное увеличе­ ние напряжения на индуктивности и емкости, но и увеличение во столько же раз токов, протекающих через них.

Врезонансных усилителях используются как последовательные,

зуются усилительные элементы (УЭ), управляемые напряжением (электронные лампы и полевые транзисторы) и имеющие высокое выходное сопротивление. При этом выходное сопротивление, как видно из эквивалентной схемы (рис. 82, а), и сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) минимально шунти­ руют резонансный контур и происходит максимальное усиление напряжения сигнала:

173

где Q3 — эквивалентная добротность контура (с учетом шунтиру­ ющего действия выходного сопротивления и сопротивления нагрузки).

Если усилитель выполняется на биполярных транзисторах, управляемых током и, следовательно, имеющих малое входное сопро­ тивление, то целесообразно резонансный контур включать по схеме, показанной на рис. 82, б.

При этом в сопротивлении нагрузки (в п — р переходе база — эмиттер транзистора следующего каскада) будет протекать макси­ мальный ток. Поскольку выходное сопротивление транзистора весьма

Рис. 83.

В том случае, когда и внутреннее, и нагрузочное сопротивления малы (что имеет место при использовании туннельных диодов или биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим коллекто­ ром), целесообразно применять схему резонансного усилителя, при­ водимую на рис. 82, в.

На рис. 83, а приводится типовая схема резонансного усилителя напряжения высокой частоты на полевом транзисторе.

На рис. 83, б приведена схема усилителя на биполярных транзи­ сторах, использующая резонансное усиление токов в LC контурах.

Диапазон применения резонансных усилителей на LC контурах ограничен снизу частотами в несколько десятков герц, что объяс­ няется невозможностью качественного выполнения больших индуктивностей. На звуковых частотах катушки индуктивности обычно выпол­

применяются ферритовые сердечники и сердечники из карбониль­ ного железа. На частотах выше 50 Мгц в катушках индуктивности ферромагнетики практически не используются вследствие больших потерь в них.

Добротность LC контуров на частотах в десятки килогерц — десятки магагерц может доходить до 500; на частотах в десятки герц

174

получение контура с добротностью 10—30 представляет сложную задачу.

В современной аппаратуре на частотах ниже 100 гц LC резонанс­ ные усилители практически не применяются, уступая место квази­ резонансным RC усилителям.

Помимо LC контуров в высококачественных резонансных усили­ телях применяются кварцевые резонаторы, электромеханические и магнитострикционные фильтры, работающие на частотах от не­ скольких десятков герц до 10—20 Мгц и имеющие эквивалентную добротность от нескольких десятков до нескольких десятков (и даже

от частоты не зависят и равны соответственно 10& и 10~2 , определите, во сколько

4. Докажите, что включение резистора автоматического смещения в цепь катода (эмиттера, истока) приводит к охвату усилительного каскада ООС.

5.Нарисуйте четырехкаскадный усилитель (па лампах, полевых или биполярных транзисторах) и укажите все возможные цепи ПОС и ООС.

6.Почему каскад с катодной (эмиттерной, пстоковой) нагрузкой назы­ вается катодным (эмиттерным, истоковым) повторителем? Может ли у повтори­ теля коэффициент передачи по напряжению быть больше единицы?

7.Определите выходное сопротивление усилительного каскада на биполяр­

9.Как можно выполнить усилитель-сумматор с распределенным усилением?

10.Определите абсолютное значение шумового напряжения резистора с со­

противлением в 10 Мом при температуре 300 ° К в полосе частот 100 гц.

11. Рассчитайте и постройте график зависимости коэффициента усиления избирательного усилителя с параллельным LC контуром в цепи стока полевого

к. п. д. и ставит весьма сложную проблему отвода тепла, выделя­ ющегося на анодах, коллекторах или стоках усилительных элементов. В то же время к. п. д. может быть увеличен до 9 9 % , а количество выделяющегося тепла уменьшено в несколько раз, если усилитель­ ные элементы будут использоваться в режиме переключения.

175

В выключенном состоянии усилительный элемент тока не про­ водит, во включенном — его внутреннее сопротивление мало, ток максимален, но минимально количество выделяющегося тепла. Например, внутреннее сопротивление полностью открытого транзи­ стора ГТ804А (1б = 1 а) не превышает 0,04 ома (при коллекторном токе 10 а и падении напряжения коллектор — эмиттер 0,4 в). При

Рлс. 84.

рассеиваться около 15 вт. Однако при работе в режиме переключе­ ния с заходом в область насыщения происходят значительные иска­ жения формы усиливаемого сигнала (рис. 84, а) и устранить их с по­ мощью рассмотренных выше методов (например, двухтактного уси­ ления) невозможно. Поэтому усилители в режиме переключения применяются лишь в тех случаях, когда допустимы нелинейные иска­ жения формы сигнала или когда усиленный полезный сигнал может быть выделен с помощью фильтров.

Имеется целый ряд сигналов, нелинейное искажение формы кото­ рых не приводит к изменению их спектров. В частности, ни форма, ни спектр сигналов, составленных из импульсов прямоугольной формы с одинаковой амплитудой, но разной длительности практи­ чески не изменяются при прохождении через широкополосный нели­ нейный усилитель (рис. 84, б). Это свойство сигналов прямоуголь­ ной формы широко используется на практике для создания усили­ телей класса Д, работающих в режиме переключения.

включается широтно-импульсный модулятор (ШИМ), преобразующий входной непрерывный сигнал (рис. 85, б) в последовательность импульсов прямоугольной формы с одинаковой амплитудой, но раз­ ной длительности.

17G

Частота следования импульсов (частота отсчетов) должна быть значительно выше (в 50—100 раз) верхней граничной частоты усили­ ваемого сигнала. Длительность каждого импульса пропорциональна величине входного напряжения в момент отсчета. Таким образом происходит преобразование непрерывного сигнала в последователь­ ность дискретных импульсов. Если нагрузка обладает некоторой инерционностью (для этого достаточно включить параллельно ей конденсатор Сн рис. 85, а), то происходит интегрирование усилен­ ного дискретизированного сигнала и закон изменения выделяющейся в нагрузке энергии повторяет закон изменения величины входного непрерывного сигнала. Широтно-имнульсные модуляторы описы­

инверторами) является то, что они обычно выполняются по двух­ тактным схемам с трансформаторным выходом (на частотах выше 50 гц) и мостовым схемам с бестрансформаторным выходом (на инфразвуковых частотах).

§ 59. Инверторы для работы на звуковых частотах

Схема транзисторного инвертора, работающего в режиме пере­ ключения, отличается от схемы двухтактного усилительного выход­ ного каскада (см. рис. 79, а) несущественными подробностями и тем, что на базу транзисторов от специальной батареи подается напряже­ ние смещения в запирающей полярности. Поэтому при отсутствии входного сигнала оба транзистора полностью заперты и ток в кол­ лекторной цепи не проходит. Прямоугольные импульсы управления подаются на базы транзисторов в соответствии с законом изменения величины входного сигнала.

В отличие от транзистора триодный тиристор является усили­ тельным элементом с неполной управляемостью (исключение соста­ вляют двухоперационные тиристоры). Триодный тиристор весьма просто включить, по выключение его может быть произведено

только при уменьшении анодного напряжения или изменении его полярности.

На рис. 86, а приведена одна из возможных схем тиристорного инвертора с трансформаторным выходом. В отсутствии импульсов запуска тиристоры заперты и через них протекает лишь небольшой ток (единицы — десятки миллиампер). Если на базу первого тири­ стора подан положительный импульс запуска, то он включается, его сопротивление резко уменьшается и падение напряжения на участкеанод — катод уменьшается до 0,8—1,5 в.

При этом левая половина первичной обмотки трансформатора оказывается подключенной к источнику питания и на вторичной обмотке индуцируется э. д. с. в полярности: плюс на правом концеобмотки, минус — на левом. Коммутирующий конденсатор

заряжается (минус на аноде левого тиристора, плюс на аноде пра­ вого) до напряжения источника питания (за вычетом падения напря­ жения на левом тиристоре).

Если подать положительный импульс запуска на базу правого тиристора, то происходит его включение и коммутирующий конден­ сатор оказывается подключенным к левому тиристору. При этом отрицательно заряженная пластина конденсатора оказывается сое­ диненной с анодом, положительная (через правый тиристор) — с като­ дом, вследствие чего левый тиристор запирается, а правый остается

импульса запуска на базу левого тиристора вновь происходит пере­ ключение тиристоров. Поскольку при переключениях изменяется направление тока в первичной оСмотке, напряжение на вторичной обмотке является знакопеременным (рис. 86, б). Форма выходного напряжения определяется сопротивлением нагрузки, емкостью кон­ денсатора и индуктивностью обмоток трансформатора. При малых значениях коммутирующей емкости форма выходного напряжения приближается к прямоугольной, при больших — фронты сущест-

178

венно округлены. Если импульсы запуска следуют строго периоди­ чески с некоторой заданной частотой, то можно инвертор настроить в резонанс, подобрав соответствующим образом значения емкости и индуктивности обмоток трансформатора. Инверторы в режиме периодического запуска часто используются для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение заданной час­ тоты.

§ 60. Инверторы для работы на инфразвуковых частотах

На инфразвуковых (в геофизической аппаратуре и на звуковых) частотах применяются бестрансформаторные инверторы, выпол­ ненные но симметричным мостовым схемам.

Если имеется два усилительных злемента и два источника пита­ ния, то инвертор может быть собран по схеме рис. 87, а. Когда

Рис. 87.

включен первый усилительный элемент, падение напряжения на нагрузке происходит в полярности: плюс слева, минус справа, поскольку ток потребляется от верхнего источника питания. При включении второго усилительного элемента (первый выключается) полярность падения напряжения на сопротивлении нагрузки ме­ няется на противоположную. Вместо двух источников питания могут быть включены два конденсатора большой емкости (рис. 87, б).

В том случае, когда сопротивление нагрузки может быть разде­ лено на две одинаковые части (например, многовитковая питающая петля при индуктивной низкочастотной электроразведке), инвертор может питаться от одного источника питания (рис. 87, в). Для соз­ дания инвертора по схеме рис. 87, г, требуется один источник пита­ ния, но четыре усилительных элемента. При этом запуск должен одновременно подаваться на элементы, расположенные по диаго­ налям 1—4, 2—3.

Особенностью транзисторных инверторов инфразвуковых частот является применение в цепях запуска светодиодов и фоторезисторов. Это объясняется тем, что цепи запуска и цепи нагрузки, в которых протекают большие токи и действуют весьма высокие напряжения, должны быть электрически изолированы (поскольку схемы управле­ ния запуском обычно имеют общую точку с корпусом прибора).