Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

тельно сложны, требуют тщательной наладки, поэтому режим D применяется в особых случаях.

В УМ на биполярных транзисторах усилительные элементы могут быть включены любым из трех способов.

Схема с общей базой (ОБ) позволяет получить меньшие нелинейные искажения, чем каскад с общим эмиттером, но обеспечивает почти в β раз меньшее усиление мощности. Включение по схеме с ОБ способствует уменьшению нелинейных искажений как на входе, так и на выходе. На входе потому, что легко получить режим управления входным током, когда форма управляющего транзистором тока совпадает с формой усиливаемого сигнала. Для этого необходимо, чтобы Rг >> Rвх. Но с увеличением Rг уменьшается усиление мощности, так как растут потери на Rг. Схема с ОБ обладает наименьшим Rвх, поэтому при меньших значениях Rг можно обеспечить указанный режим. Уменьшаются и нелинейные искажения в выходной цепи, обусловленные зависимостью α = F(Iэ) (β значительно больше меняется с изменением тока).

Всхеме с ОБ выше и температурная стабильность, а в усилителях мощности обычные способы термостабилизации и уменьшения нелинейных искажений при помощи обратной связи практически не применимы.

Вдвухтактных схемах для уменьшения нелинейных искажений обычно требуется симметрия характеристик транзисторов. В схеме

сОБ это также обеспечивается просто (из-за Rг >> Rвх и αN ≈ 1).

Вкаскаде с ОБ меньшей величины оказываются Iкmin и Uкmin,

так как Iкmin ≈ Iк0 вместо Iк0 (1+β) и меньшее остаточное напряжение. При включении по схеме с ОБ большей величины достигает

Uк.проб.

Основным недостатком каскада с ОБ является большой входной ток и меньшее усиление, что приводит к усложнению предусилителя. Обычно требуется согласование с предоконечным каскадам либо трансформатором, либо буферным каскадом (так как при Rг ≥ Rн схема с ОБ не усиливает мощность).

Схема с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивает наибольшее усиление мощности, но по всем остальным параметрам уступает схеме с ОБ:

192

ничили с их предельными величинами. При этом усиление мощности, как правило, не равняется максимальной величине.

Применение трансформаторных связей на выходе УМ позволяет обеспечить оптимальные условия для передачи наибольшей мощности в нагрузку, а на входе – преобразовать выходное сопротивление генератора сигнала Rг к нужной величине, обеспечивающей требуемое значение коэффициента нелинейных искажений, которые обусловлены нелинейностью входной цепи транзистора.

Однотактные схемы. Особенностями однотактной схемы выясним на примере каскада с ОБ (рис. 3.35), работающего в режиме А. Смещение задается источником Еэ через резистор Rэр. Параметры входного трансформатора (без которого в схеме с ОБ обычно не удается получить усиление) рассчитывают так, чтобы приведенное

раз превышало среднее значение входного сопротивления каскада

Rвх ≈ rэ + rб(1−α) = Iϕэ.тр + rβб .

Рис. 3.35. Однотактная схема усилителя мощности на каскаде с ОБ

При меньших значениях Rг′ повышается коэффициент усиления

по мощности, так как улучшается согласование с источником сигнала. Однако возрастают искажения сигнала во входной цепи. Действительно, если Rг = 0 (т.е. задано входное напряжение), то из-за экспоненциальной зависимости тока Iэ от Uэ форма тока Iэ сильно отличается от формы входного напряжения. Поэтому и выходной ток Iк = αNIэ + Iк0 также не совпадает по форме с входным сигналом. При работе от высокоомного источника входной ток Iэ более близок по форме к входному сигналу, поэтому желательно

194

Двухтактные схемы. Особенности двухтактной схемы выясним на примере каскадов (рис. 3.36), работающих в режиме АВ, который используется для уменьшения нелинейных искажений сигналов малой амплитуды, так как начальный участок входной характеристики очень пологий. При этом в каскаде, работающем в режиме В, входная характеристика двухтактного усилителя тоже имеет значительные пологие участки. Переход к режиму АВ с небольшим смещением позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения во входной цепи. При этом удобно это смещение задавать падением напряжения на диоде Д.

Рис. 3.36. Двухтактная схема усилителя мощности на каскадах с ОЭ

Такой способ задания смещения способствует повышению температурной стабильности. Задавая посредством резистора R ток диода, можно обеспечить изменение смещения (изменением напряжения на диоде) так, чтобы с повышением температуры оно уменьшалось, а с понижением, наоборот, повышалось.

Входной трансформатор наряду с согласованием источника сигналов с усилителем выполняет функции фазорасщепителя, обеспечивающего поступление сигналов на базы, одинаковых по величине, но противоположных по фазе, т.е.

Uб1 = Uб.см + Uбmsinωt и Uб2 = Uб.см – Uбmsinωt.

При этом в течение одного полупериода проводит один из транзисторов, а другого – второй транзистор. Переменные составляющие коллекторных токов протекают через соответствующие плечи первичной обмотки выходного трансформатора Трвых в противоположных направлениях. В нагрузке токи обоих каскадов складыва-

196

бариты аппаратуры, возрастают линейные искажения в области как нижних, так и верхних частот, вносятся нелинейные искажения, снижается степень надежности. Поэтому часто приходится отказываться от применения трансформаторов, а в интегральных микросхемах применение трансформаторов вообще недопустимо.

Вбестрансформаторных схемах нагрузка непосредственно включается на выход УМ. Поэтому исключается возможность пол-

ного использования транзистора. Обычно при Rн > Rн.опт, чтобы повысить усиление мощности стремятся выбирать напряжение источника питания так, чтобы полнее использовать размах по напряжению. При этом размах по току может оказаться меньше предель- но-допустимой величины. Если же нагрузка низкоомная, то рабочую точку выбирают так, чтобы по возможности увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.

Вбестрансформаторных схемах обычно применяются двухтактные схемы, так как в однотактных схемах нельзя использовать режим В. В режиме А постоянная составляющая тока протекает через нагрузку, перегружая ее. В двухтактных схемах применяют режим

Вили АВ. Для этого часто используются взаимодополняющие друг друга транзисторы п-р-п и р-п-р, т.е. комплементарные пары транзисторов.

На рис. 3.38,а представлена двухтактная схема УМ, построен-

ная на комплементарной паре транзисторов Тп и Тр. Транзисторы работают в режиме АВ. При положительной полуволне входного напряжения, инвертированной предусилителем на транзисторе Т, сигнал передается на выход через повторитель напряжения на р-п-

р-транзисторе Тр. Отрицательная полуволна входного сигнала поступает в нагрузку Rн через повторитель напряжения на п-р-п- транзисторе Тп.

Если невозможно подобрать мощные однотипные транзисторы, то одно плечо УМ строят на составном транзисторе, как это показано на рис. 3.38,б. Эта схема построена на мощных п-р-п- транзисторах Т1 и Т2, первый из которых работает в режиме повторителя напряжения, а второй, дополненный маломощным транзистором Т3, образует составной транзистор, через который в нагрузку поступает отрицательная полуволна выходного напряжения.

198

где Rг – внутреннее сопротивление источника сигнала; Rвх.ср – среднее значение входного сопротивления УМ; RвыхУМ – выходное сопротивление УМ (величины, отмеченные штрихом, – это приведенные значения Rвх.ср, Rг, Rн, RвыхУМ к соответствующей обмотке).

В трансформаторном УМ нижняя граничная частота определя-

На величину искажений в области низших частот влияют разделительный конденсатор Ср, обычно включаемый между бестрансформаторным УМ и нагрузкой Rн. Эти искажения характеризуются постоянной времени разделительного конденсатора

τр = (Rн + RвыхУМ)Ср.

При этом нижняя граничная частота определяется формулой fн = 2πτ1 p .

Одним из основных источников нелинейных искажений в каскадах на транзисторах является нелинейность входной ВАХ, причем при работе в режиме В kнл возрастает не только при росте амплитуды усиливаемого сигнала Uгm, но из-за наличия «зоны нечувствительности» – и при уменьшении Uгm по сравнению с некоторым «умеренным» уровнем. Для уменьшения влияния «зоны нечувствительности» переходят к режиму АВ, приоткрывая транзисторы в точке покоя, что ведет к увеличению Iк.р, Iб.р и Uбэ.п (см. схему УМ на рис. 3.36 с диодом в цепи смещения).

Дополнительным источником нелинейных искажений в двухтактных каскадах является неидентичность (асимметрия) характеристик передачи. При правильном выборе материала сердечника нелинейность, вносимая трансформаторами, обычно мала.

200