2.5 Схемотехника аналоговых электронных устройств

ПЛАН:

2.5.1 Каскады предварительного усиления.

2.5.2 Эмиттерный и истоковый повторители.

2.5.3 Усилители мощности.

2.5.4 Дифференциальные усилители.

2.5.5 Многокаскадные усилители.

2.5.6 Операционные усилители.

2.5.1. Каскады предварительного усиления

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информацион­ных сигналов на большие расстояния, обеспечения работы регистрирующих устройств, создания нормальных условий восприятия информации человеком и т. д. Например, для обеспечения работы громкоговорителей мультимедиа-ком­пьютера, как правило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы.

По другим параметрам коэффициент передачи усилителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей, по определению, коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится.

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоян­ного тока (УПТ), усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ), усилители высо­кой частоты (УВЧ) и СВЧ - усилители. В компьютерах, например, УПТ исполь­зуются в источниках питания, УНЧ — в звуковых платах, УВЧ и СВЧ - усилите­ли — в приемниках радио- и телевизионных сигналов. В дальнейшем мы будем рассматривать в основном только усилители переменных напряжений и токов, так как такие сигналы являются основными в системах передачи информации.

По используемым элементам различают усилители на транзисторах, микро­схемах, электронных лампах, диодах и т. д. Ниже рассматриваются усилители только на транзисторах и микросхемах. Такие усилители широко используются, например, в компьютерах.

По режимам работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элементы усилителя при воздействии малых переменных сигналов характеризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m > 0,1 В для полупроводниковых элементов), то линейная зависимость между токами и напряжениями нарушается — усилитель переходит в нелинейный режим рабо­ты. Ниже рассматриваются усилители, работающие только в линейном режиме.

Кроме того, усилители можно классифицировать также по числу каскадов, по назначению, по полосе усиливаемых частот, по характеру усиливаемого сигнала и т. д.

Рисунок 6.1 – Измерение основных параметров усилителя

Среди отмеченных усилителей значительное место занимают такие, нагруз­кой усилительного прибора которых является резистор, по этой причине полу­чившие название резистивных. Они, как правило, являются усилителями напряжения и обычно работают в режиме малого сигнала, когда амплитуда входного напряжения много меньше напряжения смещения.

Основные параметры линейных усилителей напряжения (на примере усили­тельного каскада). Чтобы уяснить методику измерения некоторых из них, воспользуемся схемой, представленной на рисунке 6.1.

1. Коэффициент усиления по напряжению:

. (6.1)

Наибольший коэффициент усиления достигается в рабочем диапазоне ча­стот. Обычно он определяется на средней частоте усиливаемого диапазона: ₀ = Коэффициент усиления зависит от параметров усилительно­го прибора, конфигурации схемы и величин ее элементов, а также от нагрузки. Кроме этого, на практике определенное применение получил сквозной коэф­фициент усиления по напряжению:

(6.2)

Наибольший сквозной коэффициент усиления — в рабочем диапазоне ча­стот. Он также определяется на средней частоте ₀ и характеризует усили­тельные свойства системы в целом, то есть с учетом параметров предыдущего каскада. Измерение коэффициента усиления не представляет особого тру­да. Здесь достаточно измерить с помощью вольтметра напряжения U₁ (или Е) и U₂ на средней частоте и вычислить их отношение. Обычно коэффициент усиления однокаскадных усилителей составляет единицы-десятки раз.

Входное сопротивление. Входным называют сопротивление усилителя на сред­ней частоте ₀ со стороны зажимов 1-1' при подключенной нагрузке к зажимам 2-2'.

Обычно входное сопротивление на средней частоте является чисто активным,

поэтому:

На практике для измерения входного сопротивления R_BX пользуются вольт­метром. Чтобы определить ток I_lt в эту ветвь включают небольшое, заранее известное сопротивление R (рисунок 6.2).

Измерив напряжения U_x и U₂, определяют ток:

а затем рассчитывают входное сопротивление:

(6.3)

Рисунок 6.2 – Измерение входного сопротивления усилителя

Усилитель считается более качественным, если он обладает высоким вход­ным сопротивлением. В этом случае его влияние на параметры предыдущего каскада будет незначительным. Величина входного сопротивления зависит от вида усилительного прибо­ра, схемы его включения и режима работы. Так, в усилителях на биполярных транзисторах оно составляет сотни Ом — единицы кОм, а на полевых транзи­сторах и лампах — сотни кОм — единицы МОм.

4. Выходное сопротивление. Выходным называют сопротивление усилителя на средней частоте ₀ со стороны зажимов 2-2' при подключенном внутреннем сопротивлении предыдущего каскада со стороны зажимов 1-1' (рисунок 6.3). Как и R_m, сопротивление на средней частоте диапазона является чисто активным. Эквивалентная схема для измерения выходного сопротивле­ния показана на рисунке 6.4.

Рисунок 6.3 – Определение выходного сопротивления усилителя

Усилитель с подключенным к нему источником сигнала в общем случае мож­но представить эквивалентным генератором. Если к зажимам 2-2' подключать различной величины сопротивления, то напряжения на них будут также отли­чаться. Степень отличия зависит от внутреннего сопротивления усилителя. Из данной схемы видно, что при подключенном сопротивлении R (переклю­чатель в положении 2) сопротивлениеRBbIX можно найти так: (6.4)

Величина Еэкв измеряется при отключении R (положение XX), то есть при хо­лостом ходе, и часто обозначается Еэкв = Uxx. Поэтому

Рисунок 6.4 – Эквивалентная схема для определения выходного сопротивления усилителя

Предпочтительным является малое выходное сопротивление, так как в этом случае сопротивление нагрузки (последующий каскад) меньше влияет на пара­метры усилителя. В схемах на биполярных транзисторах Rвых составляет едини­цы кОм, а на лампах и полевых транзисторах - десятки кОм. Для получения высоких коэффициентов усиления необходимо каскадное включение нескольких усилителей, обеспечивающее последовательное усиление сигнала до требуемого значения. Каскадную схему усилителя можно представить в виде трех функционально отличных каскадов усиления (рисунок 6.5): предвари­тельного усилителя (Пр. У); промежуточного усилителя (Пм. У); выходного уси­лителя (Вых. У).

Предварительный усилитель обеспечивает непосредственную связь источни­ка сигнала и усилительного устройства.

Поэтому важнейшее требование, которому он должен удовлетворять, — мини­мальное ослабление входного сигнала. Для этого предварительный усилитель дол­жен обладать большим входным сопротивлением Rвх. Это сопротивление долж­но быть существенно больше сопротивления источника сигнала Rист.сигн, то естьRвхRист.сигн.

В этом случае изменения входного напряжения усилителя будут соответст­вовать изменениям ЭДС источника в его входной цепи. Основное требование, предъявляемое к предварительному усилителю, — обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при минимальных его искажениях.

Промежуточный усилитель выполняет роль буферного каскада между пред­варительным и выходным усилителями.

Выходной усилитель предназначен для получения на выходе усилительного устройства мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устрой­ства, выполняющего определенные функции.

Поэтому, в отличие от предварительного и промежуточного усилителей, вы­ходная мощность которых сравнительно невелика, основным параметром выход­ного усилителя является КПД.

Рисунок 6.5 – Функциональные каскады усилителя

Применяемые на практике транзисторные усилители мощности бывают однотактные и двухтактные. Однотактные усилители мощности используют для работы с нагрузочными устройствами, мощность которых составляет единицы ватт.

Двухтактные выходные усилители применяют при больших значениях мощ­ности нагрузочных устройств.

Наличие трех функциональных разнотипных каскадов не является обяза­тельным. Известны электронные усилители, в которых предварительный и про­межуточный усилители не имеют явно выраженных разграничительных призна­ков и совмещены в одном усилительном каскаде.

То же самое относится к промежуточным и выходным усилителям, которые также можно объединять. Наконец, возможны схемы усилительных устройств с несколькими усилителями одного типа.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Рисунок 6.6 – Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером

Типовая схема такого усилителя показана на рисунке 6.6. Дадим краткую характе­ристику схемы: транзисторный резистивный усилитель напряжения с общим эмиттером, автоматическим напряжением смещения, последовательным коллек­торным питанием и резисторно-емкостной связью с последующим каскадом. Такая формулировка объясняется следующим образом: транзисторный — в качестве усилительного прибора используется биполяр­ный транзистор; резистивный — нагрузкой усилительного прибора по частоте сигнала (пере­менному току) является резистор Rк4;

усилитель напряжения — основное назначение усилителя;

с общим эмиттером — эмиттер для входного и выходного зажимов усилителя (в данном случае через Сэ соединен с корпусом) по переменному току явля­ется общим проводом;

с автоматическим напряжением смещения — постоянное напряжение смеще­ния на участке БЭ создается автоматически при включенном коллекторном питании Ек за счет резисторов Rэ, R_Б1, R_Б2',

с последовательным коллекторным питанием — напряжение на участок КЭ подается через резистор нагрузки усилительного прибора R_K, то есть транзи­стор и резистор R_K по отношению к источнику питания Е_к соединены после­довательно;

резисторно-емкостная связь с последующим каскадом — усиленное напряже­ние сигнала подается на последующий каскад (нагрузку) благодаря резисто­ру Rк и конденсатору С_р.

Назначение элементов:

Е_к — источник питания. Обеспечивает увеличение мощности сигнала, а также необходимые постоянные напряжения на электродах транзистора. Величина источника питания обычно составляет единицы-десятки вольт.

Транзистор VT — усилительный прибор. Регулирует поступление энергии от источника питания в нагрузку в соответствии с законом изменения сигнала.

Rк - нагрузочный резистор усилительного прибора. На нем выделяется уси­ленное напряжение сигнала.

С_р — разделительный конденсатор. Обеспечивает защиту последующего кас­када от постоянного коллекторного напряжения (десятые доли — едини­цы мкФ).

С_э — шунтирующий конденсатор. Блокирует R₃ по переменному току и тем самым устраняет отрицательную обратную связь по частоте сигнала через ре­зистор R₃. Он выбирается из соотношения:

и составляет десятки мкФ.

Rф, Сф — фильтр питания, с помощью которого сводится к необходимому ми­нимуму связь между каскадами через источник питания, иногда приводящая к нежелательному отклонению характеристик или даже к самовозбуждению усилителя. Для гарантированной фильтрации необходимо, чтобы:

а Rф составляло сотни Ом, Сф — десятки мкФ.

R_Б1, R_Б2 — базовый делитель. Он обеспечивает постоянное напряжение на базе (R_Б1 — единицы-десятки кОм, R_Б2 — единицы кОм).

Rэ — резистор в цепи эмиттера. Обеспечивает автоматическое напряжение смещения на участок БЭ, а также совместно с базовым делителем рабочую точку и ее стабилизацию (Rэ — сотни Ом).

Rн, Cн — эквивалент нагрузки.

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И ЕГО СТАБИЛИЗАЦИЯ

Под статическим режимом понимают режим, когда включен источник питания, а напряжение сигнала отсутствует. В этом случае в схеме будут существовать только постоянные токи и напряжения, поэтому конденсаторы можно из схемы исключить (считать обрывом).

В статическом режиме определяются величины резисторов, обеспечивающих рабочую точку, параметры транзистора, стабильность характеристик и др.

Рабочая точка выбирается на выходных характеристиках, исходя из следую­щих соображений:

При максимальной амплитуде сигнала рабочая точка не должна выходить из области, ограниченной явными нелинейными искажениями, допустимой мощ­ностью рассеяния на коллекторе и величиной источника питания Ек. В режи­ме малого сигнала это положение обычно выполняется.

Ток коллектора Iк должен быть как можно меньше, чтобы обеспечить эконо­мию питания, что очень важно при использовании индивидуального источ­ника. Кроме того, более высоким получается входное сопротивление R_BX уси­лителя.

Напряжение U_K3 необходимо брать в пределах 2-5 В, что обеспечит нормаль­ную работу транзистора.

После выбора рабочей точки известными будут: Iк, I_Б, Uкэ, U_БЭ (определяют­ся по входной характеристике при Uкэ = 5 В). Путем графических построений и последующих вычислений определяются параметры: h_11э, h_21э, g_21э=, где g_11э - входная проводимость транзистора, a g_21э - крутизна характеристики транзистора.

Выбранную рабочую точку обеспечивают включенные в схему резисторы. Для их правильного выбора (расчета) необходимо знать цепи постоянного тока (по рисунку 6.6).

Цепь протекания тока базы:

+Е_К  корпус Rэ эмиттер-база VTR_Б1Rф -Ек.

В результате прохождения тока базы открывается коллекторный переход тран­зистора и создаются условия для прохождения тока коллектора. Цепь протекания тока коллектора:

+Е_К  корпус Rэ эмиттер-база-коллектор V TRкRф-Ек.

Цепь протекания тока делителя:

+Е_К  корпус R_Б2 эмиттер-база VTR_Б1Rф -Е

Рассмотрим температурную стабилизацию статического режима.

Пусть температура увеличилась. Это вызовет увеличение тока коллектора Iк транзистора, тогда увеличится падение напряжения на резисторе Rэ (U_Rэ = RэIэ)-

Следовательно, уменьшится входное напряжение транзистора U_БЭ ⁼ U_RБ2 – U_Rэ. Все это приводит к уменьшению тока коллектора транзистора (I_К  const).

Рисунок 6.7 – Обеспечение температурной стабилизации статического режима усилителя

Так как сопротивления резисторов RБ1 и RБ2 от температуры не зависят, то ток делителя Iд = const, а следовательно, и URБ2 = const. Как видно, в температурной стабилизации режима принимают участие рези­сторы: Rэ, RБ1, RБ2 (рисунок 6.7), поскольку RБ1 и RБ2 определяют напряжение URБ2, а от величины Rэ зависит изменение напряжения UR’. Очевидно, чем больше сопротивление резистора Rээ, тем лучше стабилизация. Для количественной оценки стабилизации введена величина, называемая коэффициентом нестабильности: (6.5) где Iк — изменение прямого тока коллек­тора, а Iкбо - изменение обратного тока коллектора.

Величина Sн может быть вычислена по формуле:

(6.6)

где

Обычно S_Н задается в пределах 1,5-6. В данной схеме практически Sн3-6. Ясно, что в этом случае R_Б = (2-5) Rэ.

ПРИМЕЧАНИЕ ____________________________________________________________________________

Рассмотренная выше схема стабилизации является наиболее распространенной. Повы­сить стабильность можно путем подключения параллельно резистору R_Б2 термистора, сопротивление которого с повышением температуры уменьшается, что приводит к допол­нительному уменьшению напряжения U_БЭ. При правильном выборе этих резисторов воз­можно получение S_Н  1.

В некоторых случаях вместо термистора применяются другие полупроводниковые приборы либо один из переходов вспомогательного транзистора.

___________________________________________________________________________________________________

Расчет резисторов в статическом режиме производится на основе законов Кирхгофа и Ома. При этом на резисторе Rф должно падать напряжение не более 10% Ек, а ток делителя выбирается из соотношения I_д » I_Б , с тем чтобы измене­ния последнего не влияли на величину тока I_д.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Рисунок 6.8 – Обеспечение динамического режима усилителя

При рассмотрении динамического режима полагаем, что статический режим обеспечен, на вход подано гармоническое напряжение сигнала с частотой 0, для которой сопротивления конденсаторов Сэ, Сф, Ср представляют собой ничтожно малую величину. Напряжение сигнала (рисунок 6.6) через Сэ прикладывается к участку БЭ и вы­зывает пульсации тока базы, который в свою очередь вызывает пульсации кол­лекторного тока. Таким образом, в составе коллекторного тока появляется пере­менная составляющая с частотой сигнала и амплитудой I2m=g21эU1m. Источником этой составляющей является транзистор. Создается цепь для протекания пере­менной составляющей тока коллектора (рисунок 6.7):

коллектор VT 

75