Министерство образования Республики Беларусь УО «Брестский государственный политехнический колледж»

Основы электроники и микроэлектроники

Раздел 4. Основы электронной схемотехники

Тема 4.7. Усилители постоянного тока

г. Брест

4.7 4.7.1 Балансные усилители

Существуют усилители последовательного и параллельного баланса. В транзисторных и интегральных усилителях распространение получили усилители параллельного баланса (рисунок 7.4).

Рисунок7.4 – Схемы усилителей параллельного баланса с симметричными

входами и выходами на биполярных (а) и полевых (б)

транзисторах

Активные элементы VT1 и VT2 образуют два плеча моста. Еще два плеча образованы резисторами R1 и R2. Эмиттирующие электроды активных элементов имеют общий резистор R_э. Источник входного напряжения u_вх включен между управляющими электродами активных элементов, а выходным напряжением u_вых является напря­жение между выходными электродами. Таким образом, данный УГС имеет симметричные вход и выход.

Если элементы симметричных плеч одинаковы, т. е. R1= R2, и параметры активных элементов VT1 и VT2 оди­наковы, то при u_вх = 0 мост сбалансирован и u_вх = 0. Из­менение напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов в симметричной мостовой схеме приводит к одинаковому изменению токов i₁ и i₂. В ре­зультате напряжения выходных электродов (коллекторов или стоков) изменяются одинаково, и разность напряже­ний между ними по-прежнему остается равной нулю.

Под действием напряжения и_вх изменения напряже­ний управляющих электродов оказываются одинаковыми по значению и противоположными по полярности (фазе): и_вх/2 и – и_вх/2. Эти напряжения вызывают изменения токов i₁ и i₂ таким образом, что ∆i₁ = –∆i₂.Напряжение на резисторе R_э при этом не изменяется, так как

∆и₃ = (∆i₁ + ∆i₂)R_э = 0.

Это означает, что для парафазных напряжений резистор R_э не является резистором R₁ и R₂ образуют однокаскадные усилители без ООС. Коэффициент усиления можно определить, используя эквивалентные схемы отдельных каскадов, представленные на рисунке 7.5. Знаки «минус» перед обозначениями генераторов тока отображают инвертирующие свойства каждого каскада.

В соответствии с этими схемами имеем:

(7.3)

u_вых = u_вых1 – u_вых2 = – SRu_вх

К_{u п.б.} = u_вых/ u_вх = – SR

Рисунок 7.5 – Эквивалентные схемы левого (а) и правого (б) плеч

усилителя параллельного баланса

Сравнение выражений (7.3) и (5.15) показывает, что усилитель параллельного баланса имеет такой же коэффициент усиления, что и усилительный каскад без ООС.

Интегральные усилители

4.7.2 Интегральные усилители переменного напряжения

Усилители низкой частоты. УНЧ в интегральном испол­нении – это, как правило, апериодические усилители, охваченные общей (по постоянному и переменному току) или местной ОС. Часто применяются оба названных ви­да ОС. Интегральные электронные усилители содержат большое число вспомогательных выводов, которые при­дают им универсальность, расширяют область приме­нения. Правда, увеличение числа выводов уменьшает процент выхода готовых ИМС и повышает их стоимость.На рисунке 5.36, а показана схема двухкаскадного УННЧ типа 122УН1. Первый каскад (на транзисторе VT1) со­бран по схеме ОЭ, а второй (на транзисторе VT2) – по схеме ОЭ, если выходной сигнал снимается с выводок 8, 9, или по схеме ОК, если ВЫХОДНОЙ сигнал снимается с вывода 11.

Выводы 3, 5, 10, а также 11, если последний не является выходным, служат для подключения внешних конденсаторов, осуществляющих частотную коррекцию. К точке 10 можно подключить конденсатор, который совме­стно с резистором R3 образует фильтр в коллекторной цепи транзистора VT1 для уменьшения опасности возбуж­дения усилителя. При подключении шунтирующих конден­саторов к выводам 3, 5 и 11 ООС по переменному сигналу отсутствует, остаются только местные ООС по току, создаваемые резисторами R2 и R7 и осуществляющие стабили­зацию режима. Резисторы R4 и R5 обеспечивают смещение на эмиттерном переходе транзистора VT1 и одновременно образуют общую ООС усилителя.

Если требуется обеспечить высокое входное сопротив­ление интегрального усилителя, в его входном каскаде можно использовать полевые транзисторы. Примером та­кого усилителя является ИМС типа К284УЕ1 (рис. 5.36, б). Типовая схема включения этой ИМС на рисунке 6.37, а. В соответствии с типовой схемой включения принципи­альная схема усилителя выглядит так, как показано на рисунке 5.37, б. Резистор R5 является нагрузкой в цепи истока БТ VT1 и частью коллекторной нагрузки БТ VT2. Одно­временно резистор R5 является элементом последова­тельной ООС по напряжению. Резистор R6 служит для защиты выходного транзистора от перегрузок при корот­ком замыкании на выходе. Навесной резистор R исклю­чает шунтирование ВХОД8 усилителя делителем R1R2.

Рассмотренный усилитель может применяться в каче­стве входного каскада чувствительных усилителей, выход­ного каскада при передаче сигналов но кабелю (благо­даря малому выходному сопротивлению) и других уст­ройств, требующих большого входного и малого выходно­го сопротивлений. Его можно применять также в устрой­ствах, требующих стабильного коэффициента передачи.

Рисунок 5.36 – Схема ИМС 122УН1 (а) и К284УЕ1 (б)

На рисунке 5.38, а показана принципиальная схема ИМС типа КП9УН2. Усилитель, выполненный на этой микросхеме, может работать в диапазоне частот от 5 Гц до 200 кГц. В соответствии с типовой схемой включения (рисунок

Рисунок 5.37 – Усилитель на ИМС К284УЕ1:

а – типовая схема включения ИМС;

б – принципиальная схема усилителя

Первый каскад выпол­нен на транзисторе VT1 по схеме с ОЭ. Резисторы R3 и R4 обеспечивают необходимую термостабилизацию каскада. Для уменьшения ООС по переменному току резистор R4 шунтируется конденсатором С большой емкости. Тран­зистор второго каскада включен по схеме с ОК (т. е. пред­ставляет собой эмиттерный повторитель). С выхода второго каскада на вход первого через резистор R1 осуществляется последовательная ООС по напряжению.

Рисунок 5.38 – Усилитель на ИМС К119УН2:

а – принципиальная схема ИМС;

б – типовая схема включения ИМС;

в – принципиальная схема усилителя

Широкополосные усилители. В настоящее время разработано большое количество широкополосных интеграль­ных усилителей (ШИУ). Полоса пропускания некоторых ИЗ них составляет сотни мегагерц, АЧХ имеет особую форму. Многие из этих усилителей обладают повышен­ной чувствительностью

. Такие ШИУ образуют специаль­ную группу. Большинство же современных ШИУ обладают универсальными свойствами, т. е. могут применяться для усиления импульсных или других широкополосных сигналов в различных узлах современной РЭА.

На рисунке 5.39 показана принципиальная схема интеграль­ного ВУС типа 218УИ1 для видеоим­пульса положительной полярности. Усилитель имеет два входа: потенци­альный 12 и импульсный 11. В нем применена комбинированная стаби­лизация режима: эмиттерная – че­рез резистор R4 и коллекторная – через резистор R2. Нагрузкой тран­зистора по постоянному току являет­ся резистор R3. Усилитель имеет следующие параметры: мкс;кОм.

В качестве импульсных усилителей и видеоусилите­лей широко применяются двухкаскадные ШИУ, или так называемые токовые двойки. Примерами таких интеграль­ных усилителей являются ИМС типа КП8УП1, КП9УП1, КП9УН1, К218УП2, К218УНЗ и др. Они представляют собой двухкаскадные усилители с параллельной ООС по току. Коэффициент усиления таких усилители можно изменять в широких пределах путем подбора параметров цепей ОС.

Двухкаскадный усилитель ним K118УП1 (рисунок 5.40, а) предназначен для усиления импульсных сигналов. Напря­жение смещения подается на базу транзистора VT1 перво­го каскада через резистор R2 с нелинейного делителя, состоящего из резисторов R4 и R5 и транзистора VT3. Эти же элементы образуют цепь ООС. Глубину ООС можно изменять в широких пределах путем изменения напряжения, подаваемого на базу транзистора VT3 (че­рез вывод 5).

Рисунок 5.39 – Схема интегрального ВУС 218УИ1

Транзистор VT4 является элементом высокочастотной коррекции: используются зарядные емкости его обратно смещенных эмиттерного и коллекторного p-n-переходов. При необходимости между выводами 12 и 14 может под­ключаться дополнительный конденсатор.

Кроме такого способа коррекции, применяется кор­рекция двухполюсником. Последний представляет собой генератор тока, включаемый в цепь эмиттера. Этот гене­ратор тока (рисунок 6.40, б) также имеет корректирующую цепь R_корС_кор, однако емкость конденсатора С_кор обычно не превышает 15 пФ. Интегральный конденсатор такой емкости легко реализуем.

Достоинствами эмиттерной коррекции являются вы­сокая устойчивость усиления, повышенная стабильность параметров, возможность изменения полосы пропускания и коэффициента усиления в широких пределах и др.

В ШИУ применяется и индуктивная высокочастотная коррекция. Однако ввиду СЛОЖНОСТИ изготовления инте­гральных катушек индукти

Рисунок 5.40 – Схемы импульсного усилителя К118УП1 (а) и генератора

тока (б)

вности с высокой добротностью вместо них используются эквиваленты индуктивности. В качестве аналогов индуктивности перспективными сле­дует считать эквивалентные индуктивности на основе опе­рационных усилителей и гираторов.