Электроника и схемотехника (Ерёменко В.Т

Однотактный усилительный каскад. Принципиальная схема однотактного усилительного каскада с трансформаторным согласованием нагрузки приведена на рис. 8.1. Утолщёнными линиями условно изображены обмотки трансформатора ТV: первичная обмотка включена в цепь коллектора транзистора VT, к вторичной обмотке подключено сопротивление нагрузки RН.

Рис. 8.1. Однотактный усилитель мощности (а)

иего упрощенная схема замещения (б)

Всхеме усилителя элементы R/Б, R//Б, RЭ, СЭ обеспечивают выбранный режим по постоянному току и его температурную стабилизацию. Трансформатор ТV согласует сопротивление резистора нагрузки RН с выходным сопротивлением транзисторного каскада RВЫХ и формирует усиленные ток и напряжение, а также гальванически отделяет цепь нагрузки и цепи

каскада. В схеме замещения резистор RБР – эквивалентное сопротивление делителя напряжения, обеспечиваюшего нужное смещение на базе транзистора; R/Н – эквивалентное сопротивление нагрузки: R/н = n2RН, где n = W1/W2 – коэффициент трасформации трасформатора TV; W1, W2 – числа витков первичной (коллекторной) и вторичной обмоток. Усилитель используется чаще всего в режиме А во избежание больших искажений. Недостаток схемы – завышенная мощность трансформатора из-за подмагничивания магнитного сердечника трансформатора постоянным током коллектора.

Двухтактный трансформаторный усилитель мощности. Усилитель состоит из двух симметричных плеч (рис. 8.2). Транзисторы VT1, VT2 подбирают с максимально близкими параметрами. Каждый из транзисторов работает противофазно. Входной трансформатор ТVВХ обеспечивает получение одинаковых по модулю, но противоположных по фазе входных напряжений. Выходной трансформатор TVВЫХ суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. R1, R2 – делитель, обеспечивающий заданное положение рабочей точки (смещение) транзисторов. В этой схеме, в отличие от однотактной, отсутствует подмагничивание выходного трансформатора постоянным током. Это благоприятно сказывается на форме выходного сигнала и других показателях.

Особенно эффективен режим В, когда каждый из транзисторов участвует в формировании выходного напряжения только в течение одного полупериода. Транзисторы работают поочередно, образуя гармоническое выходное напряжение из двух полуволн.

Рис. 8.2. Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности

Основные достоинства схемы: гальваническое разделение входных и выходных цепей, высокий КПД. Недостаток – сложность, обусловленная необходимостью использования двух трёхобмоточных трансформаторов и трудность обеспечения симметрии в схеме.

8.2. Безтрансформаторные двухтактные усилители

Безтрансформаторные двухтактные усилители используются в выходных каскадах электронных устройств. На схеме рис. 8.3 показан усилитель на двух одинаковых биполярных транзисторах.

Транзисторы управляются двумя противофазными сигналами UВХ1, UВХ2. В первом такте участвует, например,VT2, к базовой цепи которого приложено открывающее напряжение – полуволна UВХ2.

В этот полупериод транзистор VT1 будет закрыт положительной полуволной UВХ1. Во втором такте транзистором VT1 усиливается вторая полуволна входного тока, а VT2 будет закрыт.

Рис. 8.3. Схема двухтактного безтрансформаторного усилителя с транзисторами одного типа проводимости

Вариант схемы двухтактного безтрансформаторного усилителя на транзисторах разного типа проводимости (на комплементарных транзисторах) показан на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Схема двухтактного усилителя с одним источником питания

Всхеме нужен конденсатор C большой ёмкости, так как он заменяет источник питания

втакте, когда транзистор VT1 закрыт. Транзисторы должны иметь идентичные характеристики. Эти условия ограничивают область применения такого усилителя.

8.3.Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) – это усилители, способные усиливать не только сигналы переменного тока, но и сигналы, медленно изменяющиеся во времени, т.е. сигналы,

эквивалентная частота которых практически равна нулю. АЧХ УПТ отличается от АЧХ усилителя переменных сигналов (рис. 8.5).

Связь источника сигнала со входом усилителя и междкаскадные связи в УТП не могут быть осуществлены посредством конденсаторов и трансформаторов подобно усилителям переменного тока.

Рис. 8.5. Примерный вид АЧХ усилителя постоянного тока (1)

иусилителя переменного тока (2)

Вусилителях переменного тока связь входных и выходных цепей осуществляется рези- стивно-емкостными или трансформаторными цепями. Для передачи сигнала в УПТ по тракту усиления необходима непосредственная (с помощью проводников или резисторов) связь по постоянному току между усилительными каскадами и источником сигнала. В области высоких частот в УПТ сказываются паразитные емкостные и индуктивные связи, которые приводят к снижению коэффициента усиления в области высоких частот также, как и в усилителе переменного тока с резистивно-емкостными связями (рис. 8.5).

УПТ должны удовлетворять нескольким требованиям:

–при отсутствии входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

–при изменении знака входного сигнала должен изменяться знак и выходной сигнал;

–выходное напряжение должно быть пропорционально

входному.

Усилители с непосредственной связью между каскадами. Непосредственная связь каскадов обусловливает особенности расчета их режима покоя (режима, при котором отсутствует входной сигнал).

В первую очередь необходимо из усиливаемого и выходного сигналов убрать постоянные составляющие, обеспечивающие исходный режим работы усилительного элемента. Это можно, например, осуществить компенсационным методом. Упрощенная схема каскада УПТ на одном транзисторе показана на рис. 8.6. Схема имеет, в основном, только теоретическое значение, на практике используются другие схемы, лишенные недостатков, присущих рассматриваемой.

Рис. 8.6. Схема каскада УПТ с компенсацией постоянных составляющих (а) и диаграммы изменения сигналов (б):

φi – потенциалы в соответствующих точках; iн – ток в сопротивлении нагрузки RН;

UВХ – входной (усиливаемый) сигнал, UВХ = φ1 – φб; UВЫХ – выходное напряжение, UВЫХ = φк – φ2; R5 – резистор настройки нулевого уровня выходного напряжения при отсутствии входного сигнала

В схеме отсутствуют конденсаторы внутрикаскадных связей, поэтому вид АЧХ соответствует таковому для УПТ (рис. 8.5).

Резистор RЭ осуществляет температурную стабилизацию и расширяет полосу пропускания каскада за счёт создания отрицательной обратной связи по току нагрузки.

Сопротивление нагрузки RН включено между коллектором

и средней точкой делителя R3, R5, R4. Входной сигнал (напряжение UВХ) подаётся между базой и средней точкой делителя R1, R2.

При отсутствии входного напряжения (UВХ = 0) и равенстве потенциалов в соответствующих точках (φ1 = φб, φк = φ2) ток в нагрузке отсутствует (iН = 0). Для точной подстройки режима служит переменный резистор R5. Если, например, на вход подать отрицательный сигнал (момент t1 на рис. 8.6, б), ток базы транзистора уменьшится. Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, увеличивается потенциал φк, вызывая ток iН в резисторе RН. Если входной сигнал меняет знак (момент t2) – ток коллектора увеличивается, потенциал φк уменьшается, в резисторе RН ток изменит направление. Таким образом, схема удовлетворяет требованиям, предъявляемым к УПТ.

Рассмотренная выше схема усилителя постоянного тока имеет следующие недостатки:

а) нагрузочный резистор не соединен с общей точкой схемы;

б) источник входного сигнала не соединен с общей точкой схемы;

в) требуется тщательная предварительная настройка исходного состояния и подстройка в процессе работы. Это создает неудобства при построении более сложных схем.

Названные недостатки можно частично устранить, если использовать не один, а два источника питания.

Упрощенная схема каскада УПТ представлена на рис. 8.7.

каскада УПТ с двумя источниками питания

Работу каскада УПТ (рис. 8.7) можно пояснить следующим образом.

В контуре UК, Е2, R4, R3 справедливо уравнение:

UR3 + UR4 = Uк + Е2.

Потенциал средней точки φ0 делителя R3R4 должен быть равен нулю в исходном состоянии схемы, для чего должно соблюдаться условие I34R4 = Е2. В этом случае Е2 = UR4, а UR3 = UК.Ток I34 выбирают из соотношения I34 = (0,02 – 0,1) IК, т.е. значительно меньше тока коллектора, чтобы не нарушать режим работы транзистора, в этом случае R3 = UК / I34,

R4=Е2 / I34.

При подаче, например, положительного входного напряжения UВХ возрастает ток базы, увеличивается ток коллектора IК и падение напряжения R1IК, снижается напряжение коллектора UК. Это приводит

к снижению потенциала средней точки φ0 и появлению отрицательного выходного напряжения. Если R3 >> R1, R4 >> R1, (в этом случае можно пренебречь шунтирующим действием делителя R3R4) коэффициент усиления напряжения схемы можно приближённо определить по соотношению:

где К0 – коэффициент усиления напряжения усилителя с коллекторной нагрузкой без делителя R3R4.

Дрейф в УПТ (дрейф нуля). С течением времени в УПТ изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах, нарушается компенсация постоянных составляющих напряжений и на выходе УПТ появляется напряжение при отсутствии входного сигнала. Это явление называют дрейфом нуля.

УПТ должен усиливать напряжение вплоть до самых низких частот, поэтому всякое изменение постоянных составляющих напряжения из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды принципиально не отличается от полезного сигнала. Дрейф нуля можно наблюдать, если вход усилителя УПТ замкнуть накоротко, а на выходе включить милливольтметр. С течением времени на выходе появится напряжение дрейфа UВЫХ = UДР (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Структурная схема для обнаружения дрейфа нуля и диаграмма изменения напряжения дрейфа после включения схемы

Если УПТ имеет коэффициент усиления по напряжению К, то величину дрейфа оценивают по выражению UДР = UВЫХ / К при UВХ = 0 и называют дрейфом, приведенным к входу усилителя.

УПТ может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т.е. при UВХ >> UДР, поэтому UДР определяет чувствительность усилителя по входу. Напряжение дрейфа условно можно разделить на две составляющие: монотонно изменяющаяся и переменная составляющие (медленный и быстрый дрейф).

Первая обусловлена изменением характеристик транзисторов, вторая – колебаниями напряжения источника питания, температуры и т.п.

Борьбу с дрейфом осуществляют различными способами, главные из них:

–стабилизация напряжения источников питания;

–стабилизация температурного режима;

–подбор и тренировка транзисторов;

–преобразование усиливаемого сигнала;

–использование дифференциальных (балансных) схем УПТ.

Например, при стабилизации напряжения питания с точностью ±0,01 %, температурной стабилизации ±1 0С удается снизить дрейф усилителя до UДР ВЫХ ≈ (5 – 20) мВ.

8.4.Дифференциальный усилитель

Одним из эффективных способов борьбы с дрейфом нуля является использование дифференциальных схем усиления сигналов постоянного тока [8]. Дифференциальный усилитель (ДУ) – это устройство, усиливающее разность двух напряжений. В идеальном ДУ выходное напряжение должно быть пропорционально разности абсолютных величин этих напряжений. Входные и выходные напряжения определяются относительно общей точки схемы, являющейся также общей точкой двух последовательно включенных источников пита-

ния (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Структурная схема дифференциального усилителя

Коэффициент усиления ДУ определяется как отношение разности выходных (усиленных) сигналов к разности входных сигналов:

В реальном ДУ коэффициент усиления (передачи) напряжения КР зависит не только от разности, но и от суммы напряжений. Это выражается в том, что выходное напряжение ДУ определяется по двум коэффициентам передачи входных сигналов:

где КР – коэффициент усиления разностного напряжения;

КС – коэффициент передачи суммы входных сигналов. Полусумму входных сигналов (UВХ1 + UВХ2) / 2 называют синфазным сигналом. С учетом приведенных соотношений можно дать определение коэффициента передачи синфазного сигнала, полагая

(UВХ1 – UВХ2) = 0:

Коэффициент передачи синфазного сигнала есть отношение напряжения на выходе к синфазному входному напряжению при разностном напряжении на входе, равном нулю. Качество ДУ оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

С учетом (8.5) выходное напряжение будет определяться соотношением:

У «хороших» ДУ обычно КОЛСФ = (80 – 120) дБ.

Относительную погрешность усиления разности напряжений можно найти по выраже-

нию:

Выражение (8.7) показывает, что δ тем меньше, чем больше КОЛСФ.

Принципы построения дифференциальных усилительных каскадов. ДУ построены по принципу 4-плечевого измерительного моста (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Схема 4-плечевого измерительного моста

Мост сбалансирован (находится в равновесии), если R1R3 = R2R4, при этом UВЫХ = 0. Изменение напряжения питания EК и пропорциональное изменение резисторов не нарушает равновесия в схеме.

Схема дифференциального усилителя показана на рис. 8.11, в ней вместо резисторов моста используются транзисторы.

Рис. 8.11. Схема ДУ с транзисторами в плечах равновесного моста

Стабильность работы ДУ достигается не только использованием свойств равновесного моста, но и обеспечением стабильности тока IЭ, протекающего в цепях источников питания. Величина этого тока определяется параметрами схемы, называемой генератором стабильного тока (ГСТ). В неё входят транзисторы VT3, VT4, резисторы R1, R2, R3 и источник E2. Равновесный мост образуют резисторы RК1 = RК2, идентичные транзисторы VT1, VT2. Если

E1 = E2, то IЭ1 = IЭ2 = IЭ/2. Если UВХ1 = UВХ2, то UК1 = UК2 = E1 – IЭRК/2, UВЫХ = 0. Это будет,

в частности, и при UВХ1 = UВХ2 = 0, т.е. когда входы ДУ соединены с общей точкой схемы.

Наличие симметрии в схеме 4-плечевого моста с транзисторами – обязательное условие правильной работы схемы, поэтому характеристики используемых транзисторов должны быть идентичны.

Высокая стабильность ДУ (нечувствительность к дрейфу нуля) обеспечивается тем, что изменения параметров идентичных элементов происходят в одну сторону и при вычитании на выходе не проявляются.