Skhemotekhnika_PE

121

межуточные) усилители (МУ), компенсирующие затухание сигнала в линии и дифференциальные приемники (ДП) (рис. 8.9).

Рис. 8.9

Схема простейшего драйвера дифференциальной линии приведена на рис. 8.10. Усилители сконфигурированы как неинвертирующий (DA1) и ин- вертирующий (DA2) повторители. Резистор, включенный между входами DA1 обеспечивает одинаковый коэффициент петлевого усиления усилите- лей DA1 и DA2, равный двум, что желательно с точки зрения равенства за- пасов устойчивости усилителей и характеристик переходных процессов.

Амплитуда выходного дифференциального напряжения в два раза превосходит амплитуду входного несимметричного сигнала. Недостатком этой схемы является низкое входное сопротивление. Схема на рис. 8.10 мо- жет быть построена практически без дополнительных внешних элементов. Преобразователь несимметричного входного сигнала в симметричный диф- ференциальный сигнал имеет высокое входное сопротивление (рис.8.11).

На неинвертирующий вход усилителя DA1 подается входной сигнал, в то время как такой же вход DA2 соединен с общей точкой схемы. Таким об- разом, инвертирующий вход DA2 является виртуальной землей. Поэтому при указанных на схеме параметрах DA1 усиливает без инвертирования входной сигнал в пять раз – (1 + R1/RК). Сигналы на входах усилителя DA1 равны, поэтому напряжение на верхнем выводе резистора RK равно UВХ.

123

Включение трансформатора на выходе усилителя упрощает согласо- вание усилителя с линией.

В качестве дифференциального магистрального приемника обычно применяется скоростной дифференциальный усилитель, построенный по трехусилительной схеме (рис. 8.14).

а) б)

AD830 – специально спроектирован как приемник дифференциальной линии. Он имеет три ОУ в корпусе, каждый из двух входных усилителей представляет собой дифференциальный усилитель, а напряжение на выходе ИМС пропорционально разности выходных токов этих усилителей. Благо- даря такому построению AD830 может быть сконфигурирован различными способами для многих применений, в частности, для суммирования или вы- читания сигналов без дополнительных внешних резисторов. Полоса про- пускания этого усилителя – 85 МГц, а скорость нарастания – 360 В/мкс.

МАХ4144 типичный дифференциальный магистральный приемник. Его коэффициент усиления составляет 2, полоса пропускания – 130 МГц, а скорость нарастания – 1000 В/мкс.

9 КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

9.1 Выбор и обоснование структурной схемы усилителя

Разработку структурной схемы производят на основе анализа техни- ческого задания и начинают с выбора типа каскада УМ. Каскад УМ целесо- образнее выполнить по двухтактной схеме, т.к. двухтактная схема при том же типе транзистора отдает в нагрузку вдвое большую РН, имеет более вы-

125

Всхеме ДУМ на транзисторах разного типа проводимости транзисто- ры включены по схеме с ОК. Управляется ДУМ с выхода КПУ по схеме с ОЭ, входной трансформатор отсутствует, что упрощает реализацию усили- теля. В схеме используются транзисторы разного типа проводимости с оди- наковыми параметрами, образующие так называемую комплиментарную пару. Эта особенность усложняет выбор транзисторов, но не является суще- ственным недостатком схемы, т.к. в последние годы номенклатура транзи- сторов значительно расширилась.

Вкачестве КПУ используют каскады по схеме с ОЭ, имеющие наи- больший КР. При выборе типа ВхК учитывают, что величина его RВХ суще-

ственно влияет на общий Ке усилителя, поскольку UBX = еГ · RBX / (RBX + RГ). Для повышения UВХ, RВХ должно быть как минимум на порядок больше RГ.

Величина RВХ для каскадов разных типов составляет

ОЭ – RВХ » 10 ¸ 103 Ом; ОК – RВХ » 103 ¸ 106 Ом; ОИ – RВХ ³ 106 Ом.

При проектировании усилителя стремятся обеспечить как можно большее RВХ, что позволяет расширить его область применения, поэтому ВхК строят по схемам с ОК или ОИ.

После выбора типов каскадов усилителя разрабатывается схема пита- ния усилителя. Питание ОТУМ осуществляется от однополярного ИП (вто- рой полюс ИП подключается к общей точке схемы). От этого же ИП осуще- ствляют питание КПУ и ВхК. Структурная схема усилителя с ОТУМ пред- ставлена на рис. 9.1. Как правило, для величин напряжений питания каска- дов выполняется условие:

Е1 < Е2 < …< Еn-2 < Еn-1 < Еn.

Понижение напряжения питания от каскада к каскаду производят с помощью фильтров Ф.

Рис. 9.1

В случае использования ДТУМ Фn-1 не применяют, при этом повыша- ется η усилителя. Предоконечный каскад питается напряжением En-1 = Еn.

Поскольку предоконечный каскад для этого случая строится по схеме ОТУМ, последнее условие легко обеспечивается при его расчете.

Структурная схема усилителя с ДТУМ представлена на рис. 9.2.

126

Питание бестрансформаторных УМ в общем случае осуществляют от двухполярного источника питания Enl = Еn2 со средней точкой. Если ДУМ реализован на транзисторах одного типа проводимости по схеме с ОЭ, то предоконечный каскад выполняют по схеме ОТУМ, его и все остальные КПУ питают от одного плеча ИП ДУМ. Структурная схема такого усилите- ля представлена на рис. 9.3.

Рис. 9.2

В ряде случаев, при определенных RH и fH, возможно однополярное питание ДУМ. Схема питания усилителя упрощается. На рис. 9.4 представ- лена структурная схема усилителя при однополярном питании ДУМ. В этой схеме ДУМ питают напряжением Еn = 2 Еn1, а функцию источника питания Еn2 выполняет конденсатор. Возможность реализации такой схемы питания оценивают по требуемой емкости конденсатора С ≥ (10÷102)/(2RH · fH).

Рис. 9.4

127

Наиболее сложную организацию ИП имеет усилитель с ДУМ на тран- зисторах разного типа проводимости. Поскольку ДУМ выполняется по схе- ме с ОК, предоконечный каскад должен развивать большую амплитуду на выходе, чем UН, a т.к. предоконечный каскад работает в режиме А, то Еn-1 > Еn. Применение понижающих фильтров в цепях питания каскадов, рабо- тающих в режиме АВ, недопустимо, поэтому схему питания такого усили- теля выполняют, как показано на рис. 9.5.

Рис. 9.5

Например, при fН = 10 Гц и RН = 5 Ом, С ³ 0,1 ¸ 1 Ф, что практически нереализуемо. При fН = 1 кГц и RН = 50 Ом С ³ 100 ¸ 1000 мкФ. Такая ем- кость может быть реализована, однако и в этом случае, т.к. в качестве С ис- пользуется электролитический конденсатор, а напряжение, на которое он выбирается, составляет 0,75Еn, габариты конденсатора могут быть недопус- тимо большими.

Описанная схема питания может быть реализована и в случае ДУМ на транзисторах разного типа проводимости.

После разработки структурной схемы усилителя производится расчет его принципиальной схемы.

9.2Последовательность расчета принципиальной схемы усилителя

1) Расчет усилителя мощности. Исходными данными для его расче- та являются РН и RН. Методики расчета Каскадов УМ рассмотрены в главе 3. Необходимо обратить внимание, что выбор транзисторов производится не только по предельным и статическим параметрам, но и по частотным свой- ствам. Расчет каскадов УМ производится графоаналитически с использова- нием вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзисторов, т.к. транзисторы УМ работают при больших размахах сигнала во входной и выходной цепях, что требует учета нелинейности ВАХ. В результате расчета определяется

129

−конденсаторы СФi фильтров в цепях питания КПУ;

−трансформатор междукаскадной связи и выходной трансформатор каскада УМ. Для трансформаторов рассчитывается допустимая индуктив-

ность первичной обмотки L1i.

Кроме перечисленных характерных элементов, в схеме могут быть элементы, наличие которых определяется особенностями схемотехники от-

дельных каскадов, например, конденсаторы C1 и С2, в схеме ДУМ

(рис. 3.20).

Расчет усилителя в НЧ-области производится после составления принципиальной схемы, когда известно общее количество перечисленных элементов. Их комплексное действие приводит к уменьшению модуля сквозного коэффициента усиления усилителя по напряжению в НЧ-области

K&e.H по сравнению с величиной Ке на средних частотах, и появлению час-

тотных искажений сигнала.

Коэффициент частотных искажений, вносимых усилителем на ниж- ней рабочей частоте fН ,определяется по формуле

где МН.i - коэффициент частотных искажений, вносимых i-м элементом схе- мы;

n - число элементов схемы, вносящих частотные искажения в НЧ- области.

Так как нижней рабочей частотой fH принято считать частоту усили- ваемого сигнала, на которой K&e.H уменьшается относительно Ке в 2 раз

(что соответствует спаду амплитудно-частотной характеристики на 3 дБ),

должно выполняться условие

Расчет производится в следующей последовательности.

1. Задается допустимый коэффициент частотных искажений, выде- ляемый на каждый фильтр в цепях питания КПУ, МН.Фi = 1,02 ÷ 1,03. Этот параметр используется при расчете емкости конденсатора СФi (раздел 9.5). Определяется общий коэффициент частотных искажений, отводимый на все

фильтрующие цепи по формуле

m

MH .Ф = ∏MH.Фi , i=1

где m – число фильтров.

2. Определяется общий коэффициент частотных искажений, отводи-

мый на остальные элементы схемы