12.5. Схемотехника усилителей переменных сигналов

12.5.1. Обобщенная структурная схема усилителя

Обобщенная структурная схема усилителя представлена на рис. 12.28., на которой прямоугольниками изображены основные части (узлы) усилителя.

Рис. 12.28

Такими частями являются: входное и выходное устройства, предварительный усилитель, усилитель мощности и цепи связи между узлами.

Входное устройство служит для передачи сигнала от источника сигнала во входную цепь первого усилительного элемента. Его применяют тогда, когда непосредственное подключение источника сигнала к входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Так, например, входное устройство в виде обычного входного трансформатора широко применяют для согласованиявыходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления первого усилительного элемента, что позволяет также получить наибольшее напряжение сигнала на входе усилителя. Две соединяемые цепи будут согласованы, если входное сопротивление одной цепи равно выходному другой. Согласование устраняет отражение сигнала в месте соединения цепей, которое может вызвать появление дополнительных частотных, фазовых и переходных искажений. Входное устройство в виде симметрирующего трансформатора используют для превращения несимметричной входной цепи усилителя в симметричную. Симметрированием цепи называют превращение ее из несимметричной, имеющей один заземленный провод, в симметричную, оба провода которой не заземлены и имеют равные и противоположные по отношению к земле напряжения сигнала. Симметрирование позволяет сильно уменьшить влияние посторонних источников помех на цепь и широко используется в линях связи. Входное устройство используют также для предотвращения прохождения постоянной составляющей тока или напряжения смещения первого усилительного элемента в источник сигнала или попадания постоянной составляющей от источника на вход усилительного элемента. В этом случае входное устройство выполняется в виде разделительного конденсатора и резистора (или резисторов). Если указанные задачи не ставятся, источник сигнала подключают к входной цепи первого транзистора непосредственно без входного устройства.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов предварительного усиления, назначением которых является усиление напряжения, тока или мощности сигнала до величины, необходимой для подачи на вход усилителя мощности. Основное требование, предъявляемое к каждому каскаду предварительного усиления, заключается в получении возможно большего усиления напряжения, тока или мощности сигнала, так как при этом число каскадов будет наименьшим, а усилитель – наиболее простым и дешевым. Это требование определяет подбор транзисторов для каскадов предварительного усиления и режима их работы. Предварительные усилители, если на них накладывается функция согласования с источником входного сигнала, содержит повторитель (эмиттерный или истоковый). Чаще всего предварительный усилитель напряжения не должен переворачивать фазу сигнала (т.е. должно быть четное количество фазопереворачивающих каскадов, например, ОЭ-ОЭ). Если источник сигнала дает достаточную для подачи на вход усилителя мощности мощность сигнала, предварительный усилитель не нужен.

Усилитель мощности предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. Он может состоять из одного, двух, а иногда и более каскадов мощного усиления. Усилители мощности должны характеризоваться максимально возможным КПД и минимально возможными нелинейными искажениями.

Выходное устройство служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи последнего усилительного элемента в нагрузку. Его применяют тогда, когда непосредственное подключение нагрузки к выходу усилителя невозможно или нецелесообразно. Выходное устройство в виде выходного трансформатора используется для создания последнему транзистору усилителя наивыгоднейшего сопротивления нагрузки или при необходимости согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки. Выходное устройство в виде симметрирующего трансформатора применяют при работе несимметричного выходного каскада на симметричную нагрузку, например, симметричную линию связи. Для разделения постоянных составляющих тока и напряжения выходной цепи усилителя и нагрузки используют упрощенное выходное устройство в виде разделительного конденсатора и резистора (или резисторов). Если указанные задачи не ставятся, нагрузку подключают к выходной цепи последнего транзистора непосредственно без выходного устройства.

Цепи межкаскадной связи служат для передачи сигнала от одного каскада многокаскадного усилителя к другому. Эти схемы одновременно служат и для подачи питающих напряжений на электроды усилительных элементов, а также придания усилителю определенных свойств. Существуют четыре основных вида схем межкаскадной связи: гальваническая, резисторная, трансформаторная и дроссельная. В некоторых случаях используют комбинации и видоизменения этих схем. В импульсных и широкополосных усилителях схемы межкаскадных связей дополняют элементами коррекции переходной или частотных характеристик. Название усилительного каскада определяется использованной в нем схемой межкаскадной связи. Так, каскад, в котором применена резисторно - емкостная связь, называется резисторным каскадом или каскадом с RC-связью, а каскад с трансформаторной схемой связи – трансформаторным и т.д.

Наиболее употребительными видами гальванической межкаскадной связи являются непосредственная и потенциометрическая. В каскадах с непосредственной связью выходной электрод предыдущего каскада соединяется с входным электродом последующего каскада непосредственно. Используемый в этой цепи резистор служит для выделения напряжения усиленного сигнала и подачи питающего напряжения на выходной электрод предыдущего каскада и напряжения смещения на входной электрод следующего каскада. В каскаде с потенциометрической связью усиленный сигнал на следующий каскад передается через потенциометр (делитель напряжения) из двух резисторов. Основным достоинством каскадов с гальванической связью является их способность усиливать не только переменные составляющие тока и напряжения сигнала, но и его постоянную составляющую. Серьезный недостаток, мешающий нормальной работе усилителя с такими каскадами, - дрейф нуля. К недостаткам каскадов с непосредственной связью следует отнести также сложность обеспечения нормального режима работы усилительных элементов в многокаскадном усилителе с одним источником питания, а каскадов с потенциометрической связью – необходимость иметь дополнительный источник питания и пониженное усиление. Схемы непосредственной и потенциометрической связи находят применение в усилителях постоянного тока в качестве схем межкаскадных связей.

Резисторные каскады можно выполнять на биполярных или полевых транзисторах. В резисторном каскаде используется резисторно – емкостная схема межкаскадной связи. Резистор служит для выделения напряжения усиленного каскадом сигнала и подачи на выходной электрод усилительного элемента питающего напряжения от источника питания. Разделительный конденсатор преграждает путь постоянной составляющей напряжения из выходной цепи предыдущего каскада на вход следующего каскада, но должен свободно пропускать усиленную переменную составляющую сигнала. Достоинства резисторного каскада: хорошие АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика, малые габаритные размеры, масса и стоимость, нечувствительность к внешним переменным магнитным полям, малое потребление от источника питания. Резисторные каскады без затруднений позволяют обеспечить необходимые напряжения на усилительных элементах при питании многокаскадного усилителя от одного источника питания. Недостатки – меньший коэффициент усиления, чем у трансформаторного и дроссельного каскадов, и очень низкий коэффициент полезного действия, из-за чего резисторный каскад мало пригоден для реализации усилителя мощности. Вследствие простоты, дешевизны и хороших характеристик резисторные каскады являются наиболее употребительным типом каскада предварительного усиления. Кроме того, как было упомянуто ранее, резисторно – емкостная схема связи находит широкое применение в качестве входного и выходного устройств в усилителях переменного тока.

В трансформаторных каскадах для межкаскадной связи используется трансформатор, первичная обмотка которого включена в выходную цепь усилительного элемента предыдущего каскада, а к вторичной обмотке подключается входная цепь следующего усилительного элемента (или нагрузка). Напряжение питания на выходной электрод усилительного элемента подается через первичную обмотку трансформатора, напряжение смещения на следующий усилительный элемент – через его вторичную обмотку. Переменная составляющая выходного тока предыдущего каскада, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжения сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на вход следующего каскада. Коэффициент усиления напряжения у трансформаторных каскадов обычно на порядок больше, чем у резисторных. Вместе с тем трансформаторный каскад обладает рядом недостатков, ограничивающих область его применения. К ним относятся, например, конструктивная сложность (габаритные размеры, масса и стоимость трансформатора много больше, чем деталей резисторного каскада) и значительная неравномерность усиления в сколько-нибудь широком диапазоне частот. Кроме того, трансформатор чувствителен к наводкам от внешних магнитных полей. Однако применение трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации позволяет создать для усилительного элемента наивыгоднейшую нагрузку и получить на ней наибольшее возможное напряжение и мощность сигнала при хорошем коэффициенте полезного действия. Поэтому трансформаторные каскады часто используются в каскадах мощного усиления с неширокой полосой частот (например, в усилителях звуковых частот). Кроме того, как уже говорилось, трансформаторы применяю в качестве входного и выходного устройства в усилителях переменного тока для симметрирования и согласования цепей.

Дроссельная схема связи имеет два основных элемента: дроссель, через который подается напряжение питания на выходной электрод усилительного элемента предыдущего каскада, и конденсатор, через который усиленный сигнал передается на вход следующего каскада. Вследствие малого сопротивления дросселя постоянному току дроссельная схема связи позволяет повысить напряжение питания на выходном электроде усилительного элемента и увеличить коэффициент полезного действия каскада по сравнению с резисторной схемой. Коэффициент усиления у дроссельных каскадов намного выше, чем у резисторных. Однако его АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика хуже, чем у резисторной схемы, а габаритные размеры и стоимость деталей почти не отличаются от трансформаторной. Поэтому дроссельная схема межкаскадных связей используется только в тех случаях, когда указанные выше преимущества оказываются особенно важными.