Усилители постоянного тока (стр. 1 из 6). Усилитель постоянного тока на транзисторе схема

2.6. Усилители постоянного тока

Чем лучше симметрия плеч ДУ, тем меньше ∆Rк. Поскольку идеальная симметрия невозможна даже в монолитной ИМС, всегда∆Rк ≠ 0 . При заданном ∆Rк, уменьшитьКu сф удается за счет увеличения глубины ООС, т.е. увеличенияRэ . В результате удается значительно подавить синфазную помеху.

Рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входного сиг-

нала — дифференциального. Дифференциальными (противофазны-

ми) называют сигналы, имеющие равные амплитуды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т.е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. ЕслиUвх1 в рассматриваемый момент времени представляется положительной полуволной, тоUвх2 — отрицательной.

За счет действия Uвх1 транзистор VT1 приоткрывается, ток его эмиттера получает положительное приращение ∆Iэ1; за счет действияUвх2 транзистор VT2 призакрывается и ток его эмиттера получает отрицательное приращение–∆Iэ2 .В результате приращение тока в цепи резистораRэ будет∆IRэ = ∆Iэ1 −∆Iэ2 . Если общие

плечи ДУ идеально симметричны, то ∆IRэ = 0, следовательно,

ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а значит, и от всего ДУ большое усиление. Для дифференциального входного сигнала в любой момент времени напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2 будут находиться в противофазе, поэтому на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор Rэ образует ООС только для синфазного сигнала.

На практике можно использовать четыре схемы включения ДУ:

•симметричный вход и выход;

•симметричный вход и несимметричный выход;

•несимметричный вход и симметричный выход;

•несимметричный вход и выход.

При симметричном входе источник входного сигнала подключается между входами ДУ (между базами транзисторов). При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов). Такое включение ДУ рассмотрено выше (см. рис. 2.39).

studfiles.net

Как усиливает транзистор | Практическая электроника

В прошлых статьях про транзисторы мы касались такого понятия, как «усиление сигнала». Так как многие из вас не читали или подзабыли что значит это словосочетание, давайте припомним.

Усилить сигнал — это значит создать его копию, которая будет либо больше, чем этот сигнал, либо мощнее.

Давайте рассмотрим на примере человека. Как же его усилить? Здесь я вижу два варианта:

Увеличить человека в размерах

Либо усилить его  с помощью экзоскелета:

Тут уже даже и ежу понятно, что мощности каждого из этих персонажей хватит для того, чтобы размотать целую роту вояк в рукопашном бою. В первом случае их проще будет давить либо пяточкой, а если попадется воспитанный великан с хорошими манерами — то пальчиками :-). Во втором случае, с экзоскелетом — хуком справа и слева.

Значит, для того, чтобы сделать сигнал мощнее, мы должны либо увеличить его амплитуду, либо увеличить его…Хм… Зачем наш Тони Старк сделал себе костюм? Чтобы он защищал его тело, то есть чтобы оказывать сопротивление ударам, пулям и тд. Какая-бы пулька или удар не влетали в него, он бы стоял колом (разумеется в разумных пределах) То есть его экзоскелет защищает его от разного рода сопротивления.

Получается,  для нашего сигнала какое бы сопротивление он не встретил на своем пути, он будет таким же «бодрым и энергичным», каким был и до встречи с нагрузкой. Если Тони Старк брал энергию из своей фиговины на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника 😉  Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.

Увеличивая амплитуду сигнала, мы меняем его напряжение, а делая сигнал «неуязвимым», мы добавляем ему силу. Силу тока. Поэтому, увеличивая или напряжение, или силу тока, либо сразу два этих параметра, мы сделаем сигнал мощнее.

Для тех, кто позабыл:

P=IxU

где

P — это мощность, измеряется в Ваттах

I — сила тока, в Амперах

U — напряжение, в Вольтах

ну и значок «х»  — это знак умножения (мало ли)

В своих электронных разработках вы должны точно решить для себя, что именно собираетесь делать с сигналом:

— увеличить его амплитуду напряжения, при этом силу тока оставить неизменной

— оставить амплитуду напряжение такой же, но прибавить мощности с помощью силы тока

— увеличить и напряжение и силу тока

В основном применяют усиление сразу по обоим параметрам.  Поэтому в электронике чаще всего используется схема с ОЭ (Общим Эмиттером), которая увеличивает сигнал и по силе тока, и по напряжению одновременно.

Для транзистора PNP проводимости подключение транзистора  с ОЭ выглядит так:

А для NPN транзистора вот так:

Но вы также должны иметь ввиду, что в электронике нам не просто надо усилить сигнал, а усилить его правильно, чтобы он не потерял свой первозданный вид. Мощная копия сигнала должна пропорционально усиливаться по амплитуде. По времени мы не должны ее трогать, иначе изменится частота сигнала. Но тогда это уже будет совсем другой сигнал.

На рисунке ниже мы можем увидеть входной слабенький сигнал, а на выходе усиленный сигнал после транзисторного каскада.

Как мы видим, сигнал по амплитуде изменился линейно и пропорционально, но период сигнала не изменился. То есть T1=T2. Это пример идеального усилителя.

Итак, как же это все реализовать?

Усилители в электронике в большинстве случаев усиливают именно напряжение. То есть на вход загоняем какой-либо маленький сигнал напряжения, а на выходе мы должны уже получить точную копию сигнала, но бОльшего напряжения. Но как это сделать с практической точки зрения?

А почему бы нам не использовать делитель напряжения, у которого один резистор будет постоянным, а другой — переменным:

Что будет, если мы на переменном резисторе будем менять сопротивление? Правильно! Будем меняться напряжение на выходе U. А теперь представьте, что мы не ручками меняли бы сопротивление, а за нас это бы делало напряжение? Чем больше меняем напряжение, тем больше меняется сопротивление. То есть сопротивление переменного резистора менялось бы прямо пропорционально напряжению. Было бы круто, так ведь?

Помните, как в одной из статей мы сравнивали транзистор с краником? Открываем чуток — напор воды слабый, открываем больше — сильнее. Открываем полностью — вода бежит полным потоком

В биполярном транзисторе происходят похожие процессы. Меняя значение напряжения на базе, а следовательно силу тока в цепи база-эмиттер, мы тем самым меняем сопротивление между коллектором и эмиттером 😉 Следовательно, наша схема из такого вида:

примет вот такой вид

Выглядеть должно все приблизительно так, но не совсем так… и далее вы поймете почему.

Итак, для того, чтобы все это показать нам понадобится:

1) Генератор частоты. Он у меня китайского происхождения.

2) Двухканальный цифровой осциллограф OWON

3) Блок питания постоянного напряжения

А также мелочевка… Транзистор и резистор. Собираем все это дело вот по такой схеме:

Осциллограммы будем снимать с красной и желтой точек на схеме.

Загоняю на базу сигнал с частотой в 1 КилоГерц и амплитудой в 1 Вольт. Смотрим, что у нас получилось:

На осциллограмме, снятой с желтой точки, мы видим только шумы.

Ладно, ставлю амплитуду в 2 Вольта:

Ничего не изменилось…

И только тогда, когда уже амплитуда стала больше, чем 2 Вольта, на желтой осциллограмме появился уже какой-то периодический сигнал

С увеличением амплитуды его импульсы просто стали шире.

Итак, теперь обо все по  порядку:

Первый косяк этой схемы в том, что мы не учли напряжение для открытия транзистора. Оно, как вы помните, составляет 0,6-0,7 Вольт.

Второй косяк. Для того, чтобы транзистор усиливал, мы его должны вогнать в активный режим. Это промежуточный режим между режимом насыщения и режимом отсечки транзистора.

Режим отсечки — это когда транзистор полностью закрытый, то есть нет напряжения смещения на базе-эмиттере 0,6-0,7. Вольт. В этом случае у нас сопротивление между коллектором и эмиттером очень большое.

Режим насыщения — это когда транзистор полностью открытый. В этом режиме смещение на базе-эмиттере более, чем 0,6-0,7 Вольт и сопротивление между коллектором и эмиттером равняется почти нулю.

В режиме отсечки и насыщения работает транзисторный ключ.

В активном режиме напряжение смещения более, чем 0,6-0,7 Вольт, но у нас сопротивление между коллектором и эмиттером не равняется ни нулю, ни бесконечности. В этом режиме мы можем регулировать сопротивление с помощью силы тока, проходящего между базой и эмиттером. А чтобы регулировать эту силу тока , мы можем подавать большее или меньшее напряжение на базу.

Если все объяснить заумной фразой получается так: небольшое изменение силы тока в цепи базы-эмиттер приводит к пропорциональному изменению силы тока в цепи коллектор-эмиттер. Коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается сила тока коллектор-эмиттер от силы тока базы-эмиттер называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Этот коэффициент часто называют h31э или просто  β.

Думаю, большинство из вас сидело за рулем авто. Может быть, вы когда-нибудь даже пользовались педалькой газа)

Допустим, мы поставили первую скорость и решили проехаться по трассе. Топим педальку в пол и едем на всей первой скорости, не переключая коробку скоростей. По аналогии с транзистором — это и есть режим насыщения.

Вообще убираем ногу от педальки — машина встает колом. Это режим отсечки (о понятии отсечки в самом авто мы с вами сейчас не говорим). В этом режиме мы вообще не касаемся педальки.

Ну а в активном режиме мы нажимаем педальку с такой силой, которая нам нужна 😉 В этом режиме мы сами регулируем скорость. Хотим — едем быстрее, а хотим медленнее 😉  То есть мы управляем автомобилем между режимами отсечки и насыщения.

Именно в этом режиме работает транзистор в режиме усиления сигналов.

Честно говоря, усилитель на биполярном транзисторе — тот еще геморрой.

Во-первых, он управляется силой тока, а не напряжением.

Во-вторых, мы должны обязательно предусмотреть напряжение смещения.

В-третьих, схема каскада усилителя на биполярном транзисторе получается довольно таки громоздкая

В-четвертых, даже тогда, когда мы не подаем сигнал на такой транзисторный каскад, то схема все равно жрет ток.

Как тогда должны выглядеть схема, чтобы мы могли из слабого сигнала получать усиленную копию?

Придется учесть все замечания и построить каскад с нуля, что мы и сделаем в следующей статье…

Продолжение——->

<——-Предыдущая статья

www.ruselectronic.com

Усилители постоянного тока УПТ

Усилители постоянного тока, имеют равную АЧХ до самых низких частот.

В многокаскадных УПТ не могут быть использованы реактивные элементы связи (R, C). Спад АЧХ в области ВЧ появляется за счет паразитных емкостей каскадов, также как и в усилителе с RC связями.

А) УПТ компенсационные с 1 источника питания.

Б) Компенсационные УПТ с 2-мя источниками питания

УПТ с одним источником питания.

В УПТ с одним источником питания вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться ЭП или усилительный каскад на полевом транзисторе.

Способ включения Rн и подача Uвх при этом не изменится.

УПТ, у которого во входной цепи включены стабилитроны, на которых выделяется напряжение компенсации. Uст компенсируют постоянные напряжения в цепи базы и цепи коллектора.

Схема двухкаскадного УПТ на транзисторах различных типов (комплементарных). Входная цепь не показана, может быть как в схеме1.

УПТ с двумя источниками питания

И зав от перечисленных недостатков применяют 2 источника питания +E1; +E2, которые создают положительные и отрицательные напряжения относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал.

Усилитель рассчитан так, что при Uвх = 0, φб = 0, φэ ≈ -0,5В, E1 = 20B, E2 = 10B.

При подасче Uвх, возрастает ток базы транзистора → возрастает ток коллектора → ↑ UR1 → снижается φк. Снижение потенц верхнего вывода делителя R3R4 приводит к ↓ потенц. средней точки делителя и появляется отрицательный Uвых.

Дрейф в УПТ

Специфич недост который определяет нижний предел усиливаемого U.

С течением времени измен токи транзисторов и напряж на их электродах → наруш компенсация пост составл U, на выходе усилите появляется пост U при Uвх = 0.

Всякое изменение U0, Uбо из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. не отличается от полезного сигнала.

Главная причина дрейфа – температурная нестабильность транзисторов.

Дифференциальный УПТ

(балансный)

Построен по принципу четырехплечего моста.

Если мост сбалансирован!!! то, при изменении Eк баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rн = 0. При пропорциональном изменении сопротивления R1,R2 или R3,R4 баланс тоже не нарушается.

Если заменить R2,R3 транзисторами, получим дифференциальную схему, часто применяемую в УПТ

Сопротивление R2 и R3 равны. Режимы работы T1 и T2 одинаковы. T1 и T2 выбирают со строго идентичными параметрами.

mehanik-ua.ru

12.6. Схемотехника усилителей постоянного тока

Усилитель постоянного тока (УПТ) – это усилитель, обеспечивающий заданный коэффициент усиления в диапазоне частот от нуля до верхней граничной частоты (рис. 12.80).
	Рис. 12.80

Таким образом, УПТ усиливает как переменную, так и постоянную составляющие сигнала. Он предназначен для усиления медленно изменяющихся сигналов или сигналов, которые после некоторого изменения остаются постоянными сколь угодно долгое время.

По схеме и принципу действия различают два основных типа УПТ: УПТ без преобразования сигнала или УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием сигнала, т.е. с модулятором и демодулятором (МДМ).

Структурная схема УПТ прямого усиления не отличается от структурной схемы усилителя переменного тока (рис. 12.28). Но при усилении сигналов с частотами, близкими к нулю, ни емкостные, ни трансформаторные связи между каскадами усиления не состоянии обеспечить удовлетворительную передачу усиливаемого сигнала от одного каскада к другому. Более того, на нулевой частоте через межкаскадные конденсаторы и трансформаторы в принципе не может проходить усиливаемый сигнал. По этой причине в УПТ прямого усиления для соединения каскадов используется гальваническая межкаскадная связь.

Так как УПТ прямого усиления не содержат разделительных и блокировочных конденсаторов большой ёмкости, дросселей и трансформаторов, то их габаритные размеры могут быть сделаны очень малыми, и они оказываются очень удобными для микроминиатюризации. Именно поэтому интегральные схемы усилителей обычно выполняются как усилители постоянного тока.

Простейшим вариантом схемы гальванической межкаскадной связи является схема непосредственной связи, когда напряжение сигнала, усиленное предыдущим каскадом, непосредственно поступает в его выхода на вход следующего каскада или нагрузку. Однако практически осуществить такой способ связи далеко непросто, так как в этом случае на вход каскада с выхода предыдущего каскада поступает кроме сигнала также и напряжение питания выходной цепи, которое необходимо компенсировать. В схеме трехкаскадного УПТ с непосредственными связями, приведенной на рис. 12.81, для создания между базой и эмиттером второго транзистора напряжения смещения, требуемого для получения нужного тока коллектора, падение напряжения на резистореберут больше падения напряжениянана величину разности напряжений коллектор эмиттер первогои база-эмиттер второго транзисторов:.

Рис. 12.81

Аналогичные рассуждения можно провести и для следующей связи между вторым и третьим транзисторами. В результате получим ,. При уменьшениипадает коэффициент усиления каскада по напряжению. Резисторыосуществляют стабилизацию точек покоя транзисторов. Эти же резисторы создают в каждом каскаде местную отрицательную обратную связь по току. При увеличениивозрастает глубина отрицательной обратной связи, что также приводит к уменьшению коэффициента усиления. Таким образом, коэффициент усиления каждого последующего каскада уменьшается по сравнению с коэффициентом усиления предыдущего каскада. Поэтому проектирование усилителя такого типа с числом каскадов более трех оказывается нецелесообразным.

В отсутствие сигнала на входе УПТ на его выходе должна отсутствовать не только переменная, но и постоянная составляющая напряжения. В рассматриваемой схеме это достигается введением делителя , который компенсирует постоянную составляющую напряжения, поступающую на нагрузку усилителя с коллектора третьего транзистора. Делитель напряжениякомпенсирует падение напряжения, поступающее на источник сигнала с резистора, и сохраняет смещение на входе первого транзистора неизменным при включении и выключении источника сигнала.

Режим работы транзистора в каскаде такого усилителя выбирается, как в обычном резисторном каскаде. Коэффициент усиления, частотные характеристики в области верхних частот и переходную характеристику в области малых времен для каждого каскада рассчитывают с учетом обратной связи, вносимой резистором .

Недостатком такой схемы УПТ является отсутствие общего провода между входной и выходной цепями.

Свойство УПТ усиливать сигналы сколь угодно малой частоты приводит к возникновению явления, называемого дрейфом нуля. Абсолютный дрейф нуля - это максимальное отклонение выходного напряжения от своего первоначального значения за определенный промежуток времени при замкнутом входе.

Дрейф нуля обусловлен самопроизвольным изменением во времени напряжений источников питания и смещения, а также нестабильностью параметров усилительных элементов при изменении температуры окружающей среды. Указанные факторы вызывают изменение положения точки покоя усилительных элементов, а эти изменения вследствие использования в УПТ прямого усиления гальванической межкаскадной связи усиливаются последующими каскадами и поступают на выход.

В результате при отсутствии напряжения сигнала на входе УПТ на его выходе появляется напряжение Uвых др(рис. 12.82), имеющее как медленно изменяющуюся статическуюUвых др стсоставляющую, так и беспорядочные отклонения от нее – динамическую составляющую напряжения дрейфаUвых др дин.
	Рис. 12.82

Статическая составляющая в основном обусловлена нагревом усилительных элементов и деталей схемы после включения усилителя и их старением, а также медленным уходом напряжения питания от номинального значения.

Динамическая составляющая дрейфа в основном определяется колебаниями напряжения источников питания и собственными шумами усилительных элементов.

Для УПТ дрейф нуля представляет собой очень вредное явление, так как он не отличим от усиливаемых сигналов, искажает их и может недопустимо изменить режим работы усилительных элементов.

Абсолютный дрейф нуля, приведенный к входу , называется относительным дрейфом нуля. Величинаограничивает минимальный входной сигнал, посколькудолжно быть больше, и характеризует чувствительность УПТ.

Оценим влияние дрейфа отдельных каскадов на результирующую величину дрейфа многокаскадного УПТ. Пусть, например, на входе каждого каскада трехкаскадного УПТ действует источник дрейфа ,,. Тогда абсолютный дрейф УПТ, каждый каскад которого инвертирует фазу входного сигнала и имеет коэффициент усиления,соответственно, равен

.

Приведенный к входу дрейф УПТ

.

Из последнего выражения следует, что при проектировании многокаскадных УПТ для уменьшения дрейфа целесообразно использовать четное число каскадов, так как при этом происходит частичная компенсация составляющих дрейфа.

В качестве примера реализации УПТ в интегральном исполнении можно привести интегральную микросхему типа К237УС1, которая представляет собой четырехкаскадный УПТ с непосредственной связью, охваченный параллельной обратной связью по постоянному напряжению. Коэффициент усиления по напряжению в такой схеме составляет 8000 … 15000.

Из этого же выражения следует, что наибольшее влияние на величину дрейфа всего УПТ оказывает дрейф первого (входного) каскада, к которому в связи с этим предъявляются наиболее высокие требования по его стабильности.

При проектировании УПТ с малым уровнем дрейфа часто в качестве входного используют дифференциальный каскад.

Дифференциальным каскадом, структурная схема которого приведена на рис. 12.83, называется каскад, имеющий два входных вывода, симметричных относительно общего провода.
	Рис. 12.83

К входной цепи такого каскада можно подключить либо симметричный источник сигнала, либо один или два несимметричных источника сигнала. В последнем случае дифференциальный каскад будет усиливать разность напряжений подведенных к нему двух источников сигнала. По этой причине он и получил название дифференциального. Дифференциальные каскады (ДК) могут иметь как несимметричный, так и симметричный выходы.

Схема ДК (рис. 12.84) отличается от приведенной ранее схемы фазоинверсного каскада (рис. 12.73) лишь тем, что имеет два входа, симметричных относительно общего провода схемы. Простейший ДК состоит из двух типовых каскадов с общим эмиттером, эмиттеры которых объединены и имеют общий резистор .
	Рис. 12.84

Входные напряжения подаются на базы транзисторов, а выходное снимается с их коллекторов. При подаче на входы каскада напряжений ивыходное напряжение в общем случае определяется выражением

,

где - дифференциальная составляющая входного сигнала, а- синфазная составляющая входного сигнала;- коэффициент усиления дифференциального сигнала, определяемый при условии, для чего на входы каскада подаются одинаковые по величине, но разные по полярности напряжения;- коэффициент усиления синфазного сигнала, определяемый при условии, для чего на входы каскада подаются одинаковые по величине и полярности напряжения.

Синфазный сигнал представляет собой различные помехи и наводки, действующие одновременно на обоих входах каскада. Поэтому при построении каскада необходимо обеспечивать условие .

Если схема полностью симметрична, т.е. , а параметры транзисторов каскада полностью идентичны, то притранзисторы работают в одинаковом режиме. Их коллекторные токи и напряжения равны. Так как выходное напряжение определяется разностью коллекторных напряжений, то их равенство означает, что. Изменения питающего напряжения или температуры окружающей среды, вызывающие дрейф выходного напряжения в обычном каскаде УПТ, для ДК можно представить как ЭДС, действующие синфазно на каждом из входов двух каскадов с общим эмиттером. Действие синфазных ЭДС приводит к одинаковому изменению коллекторных токов и напряжений в одну и ту же сторону, т.е.. Отсюда следует, что в этом случае ДК можно рассматривать как параллельное соединение двух транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером с отрицательной обратной связью по току, создаваемой резистором. Тогда коэффициент передачи синфазного сигнала на один из выходов, характеризующий изменение коллекторного напряженияпри действии входного синфазного сигнала:. Полагая, что, будем иметь, откуда найдем изменение коллекторного напряжения каждого транзистора при действии входного синфазного сигнала

. (12.38)

В полностью симметричном ДК не влияет на дрейф выходного напряжения, так как.

В реальной схеме ДК невозможно обеспечить полную симметрию, поэтому приращения ине будут одинаковыми. В результате на входе схемы появится напряжение дрейфа, зависящее оти. Как следует из выражения (12.38), для получения малых приращений коллекторного напряжения необходимо увеличивать сопротивление резистора, что возможно только до некоторого предела, определяемого минимальным током транзисторов каскада. Поэтому в эмиттерную цепь ДК вместо резисторацелесообразно включить нелинейный элемент, обладающий большим сопротивлением по переменному току (для создания глубокой отрицательной обратной связи) и малым сопротивлением по постоянному току (для обеспечения номинального режима работы транзисторов), называемый генератором или источником стабильного () тока. Наилучшим стабилизатором тока является транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 12.85).

Рис. 12.85

Для увеличения выходного сопротивления транзистора VT3, используемого в качестве стабилизатора тока, в цепь его эмиттера вводят резисторс небольшим сопротивлением (сотни или тысячи ом), повышающий вследствие вносимой им отрицательной обратной связи по току выходное сопротивление стабилизирующего транзистора до нескольких сотен кОм, а в цепь базы вводят диодVD, осуществляющий температурную компенсацию.

ДК в зависимости от способа подачи сигнала на его вход и способа снятия усиленного сигнала с выхода может быть использован различно. Так, сигнал на вход ДК можно подавать следующими тремя способами (рис. 12.85):

1-1) между точками 1и2– симметричный входной сигнал;

1-2) между точками 1и0– несимметричный входной сигнал;

1-3) между точками 0и2– несимметричный входной сигнал.

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами:

2-1) между точками 3и4– симметричный выходной сигнал;

2-2) между точками 3и0– несимметричный выходной сигнал;

2-3) между точками 0и4– несимметричный выходной сигнал.

Свойства ДК сильно зависят от способов подачи и снятия сигнала.

Наилучшие свойства каскад имеет в случае подачи симметричного входного сигнала (способ 1-1). У идеально симметричного каскада в этом случае полностью отсутствует дрейф нуля, и он полностью подавляет синфазные сигналы. Однако в действительности вследствие неодинаковости компонентов в плечах каскада, нарушающей симметрию плеч схемы, подавление дрейфа оказывается неполным. При интегральном выполнении каскада на одной полупроводниковой пластине можно добиться уменьшения дрейфа по сравнению с обычным резисторным каскадом в несколько сотен раз и получить коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) свыше 1000 (более 60 дБ). Коэффициентом ослабления синфазного сигнала называется отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала: . Коэффициент усиления ДК в этом случае равен коэффициенту усиления обычного резисторного каскада и определяется по тем же самым формулам. Постоянная составляющая между входами1и2, так же как и между выходами3и4, отсутствует. Частотные и переходная характеристики его на высоких частотах и в области малых времен такие же, как у обычного резисторного каскада.

Однако как источник сигнала, так и нагрузка далеко не всегда симметричны. На практике часто приходится подавать на вход ДК несимметричный сигнал по способу 1-2 или 1-3, а также снимать усиленный сигнал несимметрично по способу 2-2 или 2-3. В этих случаях свойства ДК ухудшаются. При подаче входного сигнала по способам 1-2 или 1-3 между входными зажимами имеется большая постоянная составляющая напряжения, которую необходимо компенсировать. Для компенсации этой постоянной составляющей питание ДК осуществляют от источника питания со средней точкой, соединяемой с точкой 0. При работе ДК на следующий обычный каскад с несимметричным входом усиленный сигнал с выхода ДК снимают по способу 2-2 или 2-3. В этом случае между выходными зажимами ДК присутствует большая постоянная составляющая, коэффициент усиления каскада оказывается вдвое меньше, а компенсация дрейфа и подавление синфазных сигналов ослабляются.

При работе ДК от источника сигнала с большим внутренним сопротивлением возникает проблема повышения входного сопротивления ДК. Для повышения входного сопротивления ДК в эмиттерные цепи транзисторов включают резисторы (на рис. 12.85 они показаны пунктиром), позволяющие искусственно увеличить сопротивление. Кроме того, с их помощью можно несколько улучшить симметрию каскада.

Повысить входное сопротивление ДК можно путем использования в плечах каскада составных транзисторов. Однако в ДК с составными транзисторами увеличивается асимметрия схемы, так как сказывается разброс параметров уже не двух, а четырех транзисторов и, как следствие, возрастает дрейф в ДК с симметричным выходом.

В схемах ДК могут быть использованы полевые транзисторы. Такие схемы строятся аналогично схемам на биполярных транзисторах. Основным достоинством ДК на полевых транзисторах является высокое входное сопротивление (сотни кОм). Однако схемы на полевых транзисторах имеют меньшие значения коэффициента усиления и коэффициента подавления синфазного сигналапо сравнению с ДК на биполярных транзисторах.

Из сказанного выше видно, что характерной особенностью и недостатком УПТ прямого усиления является неустойчивость выходного напряжения (тока), называемая дрейфом нуля. Вследствие значительной величины дрейфа УПТ прямого усиления с высокой чувствительностью в ряде случаев трудно выполнимы и неудобны в эксплуатационном отношении, так как они способны удовлетворительно работать лишь в течение небольшого промежутка времени. Кроме того, УПТ прямого усиления предъявляют жесткие требования к стабильности питающих напряжений и температуры окружающей среды. Применение компенсационных и балансных схем и стабилизации источников питания позволяют снизить приведенный к входу дрейф УПТ прямого усиления до сотен, в лучшем случае до десятков микровольт в час. Поэтому для усиления сигналов с напряжением ниже сотен микровольт УПТ прямого усиления непригодны. Для усиления таких сигналов применяют УПТ с преобразованием частоты.

В таких усилителях входной сигнал низкой частоты преобразуется в пропорциональный ему сигнал высокой частоты, усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем снова преобразуется в сигнал низкой частоты. При этом дрейф будет меньше, чем в УПТ прямого усиления с непосредственными связями, так как в данном случае дрейф не передается от каскада к каскаду. Структурная схема УПТ с преобразованием и временная диаграмма, поясняющая принцип его работы, приведены на рис. 12.86.

Рис. 12.86

В этой схеме входной сигнал поступает на один вход амплитудного модулятораМ, на второй вход которого подается напряжение несущей с генератора несущейГН. Следует отметить, что для неискаженного усиления сигналов с помощью такого метода частота несущей должна быть в 5-10 раз больше верхней частоты спектра усиливаемого сигнала. Модулированное по амплитуде напряжение с выхода модулятора поступает на вход усилителя переменного токаУС. Усиленное напряжение подается на один вход демодулятораДМ, на второй вход которого поступает напряжение несущей с выхода генератора несущейГН. С выхода демодулятора ДМ снимается выходное напряжение низкой частоты.

Источником дрейфа в УПТ с преобразованием в основном является модулятор. Простейший модулятор представляет собой трансформатор, концы входной обмотки которого попеременно подключаются к источнику входного сигнала с помощью ключевых элементов. Ключевые элементы управляются сигналом с выхода генератора несущейГН и могут быть механическими, диодными и транзисторными. Схема простейшего трансформаторного модулятора с транзисторными ключами изображена на рис. 12.87.

	В этой схеме сигнал несущей создает в базах транзисторов противофазные напряжения, обеспечивающие противоположные состояния транзисторов (открыт - закрыт) в каждом полупериоде.
Рис. 12.87

Источниками дрейфа уровней переменного сигнала в рассматриваемой схеме являются обратный ток закрытого транзистора и остаточное напряжение открытого транзистора.

В качестве усилителя переменного тока, являющегося нагрузкой модулятора, обычно используется операционный усилитель в интегральном исполнении, на входе и выходе которого включаются разделительные конденсаторы большой емкости, обеспечивающие отсутствие постоянной составляющей и дрейфа на выходе усилителя. Усилитель переменного тока не пропускает также низкочастотных шумов, которые в некоторых случаях оказывают более сильное влияние на полезный сигнал, чем температурный дрейф.

Простейший демодулятор представляет собой транзисторный ключ (прерыватель тока), подключаемый к выходу усилителя переменного тока. Отпирание и запирание ключа определяется сигналом с выхода генератора несущейГН. После ключа обычно ставится сглаживающий фильтр.

В настоящее время получили распространение интегральные УПТ с преобразованием (МДМ - усилители), выполненные на одном кристалле. Примером такого МДМ – усилителя является микросхема типа К140УД13 на МДП-транзисторах с индуцированным p-каналом. Микросхема включает в себя бестрансформаторный модулятор, усилитель переменного тока, демодулятор и внутренний генератор прямоугольных импульсов. Разделительный конденсатор на выходе усилителя переменного тока и элементы сглаживающего фильтра являются навесными компонентами, подключаемыми к соответствующим выводам микросхемы.

studfiles.net

Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис. 1 приведена АЧХ для усилителя постоянного тока. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току.

Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальвани­ческая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполне­нии, стабильности смещения и т. д. Однако такая связь вносит в усили­тель ряд специфических особенностей, за­трудняющих как его выполнение, так и эк­сплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрей­фом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроиз­вольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловлива­ющих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабиль­ности источников питания, температурная и временная нестабиль­ности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наиболь­шую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и не­стабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями I кбо , U бэ0 и B . Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо умень­шать коэффициент нестабильности S нс .

Абсолютным дрейфом нуля

, называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя: е др =. Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина е др ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях (рассмотренных в предыдущих главах) дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижа­ется при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R Э большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит KU для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь KU пропорционален S нс , то величина е др оказывается независимой от S нс . Минимального значения е др можно достичь за счет снижения величин R э, R б и Rr . При этом для кремниевых УПТ можно получить

Кремниевые УПТ более пригодны для работы на повышенных температурах.

Следует подчеркнуть, что работа УПТ может быть удовлетво­рительной только при превышении минимальным входным сигна­лом величины Сдр. Поэтому основной задачей следует считать всемерное снижение дрейфа нуля усилителя.

С целью снижения дрейфа нуля в УПТ могут быть использова­ны следующие способы: применение глубоких ООС, использование термокомпенсирующих элементов, преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением, построение усилителя по балансной схеме и др.

Однотактные УПТ прямого усиления по сути своей являются обычными многокаскадными усилителями с непосредственной связью. В таком усилителе резисторы R э 1 и R э 2 не только создают местную последователь­ную ООС по току, но и обеспечивают необходимое напряжение

в своих каскадах. В многокаскадном усилителе наблюдается последовательное повышение потенциала на эмиттере транзистора каждого

последующего каскада. Необходи­мость повышения потенциалов эмиттера от каскада к каскаду обусловлена тем, что за счет непосредственной связи потенциал коллектора у каждого последующего транзистора оказывается выше, чем у предыдущего.

Обеспечить необходимый режим покоя в каскадах рассматриваемого усилителя можно и за счет последовательного уменьшения номиналов коллекторных резисторов от каскада к каскаду (R к1 > R к2 ). Однако в этом случае, как и в рассмотренном выше, будет падать усиление УПТ.

При разработке УПТ целесообразным является выбор эмиттерных резисторов по заданным значениям коэффициентов усиления и S нс , а рабочие напряжения

можно обеспечить путем дополнительных мер. На рис. 2 приведены принципиальные схемы двух вариантов каскадов УПТ, в одном из которых (а) потенциал эмиттера устанавливается за счет балластного сопротивления Ro во втором (б) — за счет применения опорного диода D . Отметим, что вместо опорного диода можно включить несколько обычных прямосмещенных р-п переходов. Часто используются сочетания обоих вариантов схем, приведенных на рис. 2.

При разработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только между каскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигнала включить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, то через него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания EK . Для устранения этого тока обычно включают генератор входного сигнала между базой транзистора Т1 и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами R 1 и R 2 . На рис. 3 приведена принципиальная схема рассматриваемого входного каскада УПТ прямого усиле­ния. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Нагрузка усилителя обычно включается в диагональ моста, образованного элементами выходной, цепи УПТ. На рис. 4 приведена принципиальная схема такого выходного каскада УПТ. Рассматриваемый здесь способ включения нагрузки используется для получения U н =0 при Е r =0. Номиналы резисторов R3 и R4 выбираются таким образом, чтобы напряжение средней точки делителя равнялось напряжению на коллекторе выходного транзистора в режиме покоя. При этом в нагрузке для режима покоя не будет протекать тока. В каждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуется глубокая ООС. Поэтому для определения входного сопротивления Ku oc каскада ОЭ здесь можно пользоваться формулами

и Ku ОС = - R кн/ R э соответственно. Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого R к имеет наибольшее значение. Однако и в последующем каскаде УПТ, где R к меньше, все равно его номинал должен быть больше номинала R э . В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора, первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. В результате суммарный дрейф нуля второго каскада может оказаться меньше, чем в отсутствие первого каскада в идеальном случае и сведен к нулю. Заметим, что полная компенсация дрейфа нуля возможна лишь при специальном подборе элементов и только для некоторой конкретной температуры. Хотя на практике это почти и недо­стижимо, тем не менее в УПТ с четным числом усилительных каскадов наблюдается снижение дрейфа нуля.

mirznanii.com

7.26 Усилители постоянного тока - Прикладная электроника

 

Усилителями постоянного тока (УПТ) или медленно меняющихся во времени сигналов называются усилители низкой частоты, коэффициент усиления которых не равен нулю на частоте .

 

 

УПТ способны усиливать постоянные и переменные напряжения, т.е. коэффициент усиления которых отличен от нуля при частоте сигнала равной нулю, или полоса пропускания которых не ограничена снизу.

 Основными параметрами усилителя являются коэффициент усиления по напряжению KU = Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току КI = Iвых/Iвх.

 

 

 

Применение УПТ.

 

        Усилители постоянного тока широко используются в технике физического эксперимента и радиоизмерительных устройствах – электронных вольтметрах, высокочувствительных гальванометрах, осциллографах, в схемах различных стабилизаторов.

         В усилителях постоянного тока применяется непосредственная связь между каскадами, так как связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Поэтому база транзистора каждого последующего каскада непосредственно соединяется с коллектором транзистора предыдущего каскада. Гальваническое соединение связано с необходимостью согласования режимов соседних транзисторов по постоянному току.

               При создании многокаскадных УПТ с большими коэффициентами усиления возникают определенные трудности, вызванные нестабильностью усилителей постоянного тока. Отличие коэффициента усиления от нуля при нулевой частоте приводит к тому, что медленные процессы, связанные с колебаниями напряжения источников питания, изменениями сопротивлений резисторов и параметров активных элементов, вызывают появление внутри усилителя небольшого напряжения, которое усиливается последующими каскадами.

 

 

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

УПТ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ

Высокое входное сопротивление, малый температурный дрейф (в термостабильной точке), низкий уровень шумов позволяют использовать ПТ в схемах усилителей постоянного тока. Наличие термостабильной точки у полевых транзисторов выгодно отличает их от электронных ламп и биполярных транзисторов, используемых в УПТ.

 

Усилители постоянного тока (УПТ) - это усилители, предназначенные для усиления сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, т.е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой, в виде изображенной на рис.2

Связь такого усилителя с нагрузкой, с источником сигнала и межкаскадные связи должны быть непосредственными, т.е. в качестве элементов согласования усилительных каскадов не могут быть применены реактивные элементы (трансформаторы и конденсаторы), поскольку это обеспечило бы амплитудно-частотную характеристику, у которой KU = 0 при f = 0. Режим покоя каждого из каскадов усилителя определяется не только параметрами элементов собственного каскада, но и режимами покоя предыдущих и последующих каскадов усиления. При расчете схема усилителя должна быть проанализирована в целом. Рассмотрим УПТ на примере двухкаскадного усилителя (рис 3).

В схеме усилителя выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. Во входную цепь усилителя последовательно с источником входного сигнала включен источник входного компенсирующего напряжения ЕКОМП. Его вводят для того, подключение входного сигнала не смещало рабочую точку. С этой целью компенсирующее напряжение выбирают равным UБП1.

 

 Резисторы R3 и R4 выполняют функцию делителя для создания компенсирующего напряжения выходной цепи каскада.

 

При эксплуатации УПТ в широком диапазоне температур окружающей среды выходные напряжение усилителя могут изменяться при неизменном входном сигнале из-за нестабильности параметров усилительных элементов; при этом на выходе не удается определить, чем вызвано изменение выходного напряжения (изменением входного сигнала или изменением режимов работы усилительных элементов).

pricl-electr.jimdo.com

Усилители мощности

Все рассмотренные нами усилители относятся к категории усилителей на­пряжения, их основное назначение — получение максимального размаха выходного напряжения. Когда требуется большая выходная мощность, например для «раскачки» мощных громкоговорителей или антенн или питания электродвигателей, применяются усилители мощности. Они ха­рактеризуются высоким коэффициентом усиления по мощности, который достигается за счет высоких коэффициентов усиления по напряжению и по току.

	Рис. 30.8. Влияние отвода от первичной обмотки трансформатора в    резонансном контуре. Первичная обмотка L3 играет роль автотрансформатора.		Рис. 30.9. Транзисторный усилитель мощности звуковой частоты с заземленным эмиттером.

На рис. 30.9 приведена базовая схема выходного транзисторного каска­да с эмиттером, заземленным по переменному току. Для получения не­искаженного выходного сигнала усилитель должен работать в режиме класса А. КПД такого усилителя мощности очень мал из-за большого тока, потребляемого от источника питания. От этого усилителя можно получить только небольшую мощность. Его можно использовать в авто­мобильном радиоприемнике, где величина потребляемого тока не имеет значения.

Двухтактный режим работы

Двухтактные выходные каскады почти повсеместно используются в со­временных транзисторных усилителях. Двухтактный усилитель содер­жит два транзистора, работающих в режиме классаВ, каждый из кото­рых обеспечивает усиление только одного полупериода входного сигнала.

Двухтактный усилитель с использованием двух идентичных транзисторов

На рис. 30.10 показана упрощенная схема двухтактного усилителя. Эмиттерные переходы транзисторов имеют нулевое напряжение смещения, по­этому каждый из транзисторов проводит ток только в одном из двух чере­дующихся полупериодов входного сигнала. Входной трансформатор Tp1 с отводом от средней точки вторичной обмотки работает как расщепитель фазы.

Рис. 30.10. Двухтактный усилитель мощности с двумя идентичными транзи­сторами и трансформаторным расщепителем фазы.

Два равных и противоположных по знаку (противофазных) сигнала формируются в каждом полупериоде на половинах вторичной об­мотки этого трансформатора: сигнал Va, находящийся в фазе с входным сигналом, и сигнал Vb, противофазный входному сигналу. В то время как положительный полупериод сигнала Vaсоответствует положительному периоду входного сигнала, положительный полупериод сигнала Vbсоот­ветствует отрицательному полупериоду входного сигнала. Транзисторы T1 и T2 открываются, когда потенциал базы транзистора становится по­ложительным по отношению к потенциалу эмиттера. Таким образом, транзистор T1 открыт в течение положительного полупериода сигнала Va. При этом через него протекает ток i1 от эмиттера к коллектору и далее через верхнюю половину первичной обмотки выходного трансфор­матора Tp2 к источнику питания VCC. Этот ток создает положитель­ный полупериод выходного сигнала на вторичной обмотке трансформато­ра Tp2. Транзистор T2 открыт в положительном полупериоде сигнала Vb, при этом ток i2 протекает снизу вверх (в обратном по отношению к току i1 направлении) через нижнюю половину трансформатора Tp2, создавая отрицательный полупериод выходного сигнала на его вторичной обмотке. Выходной трансформатор с отводом от средней точки первичной обмотки объединяет эти два полупериода в один полный период выходного сигна­ла. Транзисторы T1 и T2 включены по схеме с общим эмиттером и имеют при этом относительно высокое выходное сопротивление. Так как сопро­тивление нагрузки выходного каскада очень мало, обычно менее 10 Ом в случае громкоговорителя, всегда используется согласующий трансфор­матор Tp2.

Выходной сигнал двухтактного усилителя с нулевым смещением эмиттерных переходов транзисторов воспроизводится с искажениями типа «ступенька», как показано на рис. 30.10. Эти искажения связаны с нели­нейными участками характеристик двух транзисторов. Искажения воз­никают в те моменты времени, когда один транзистор начинает откры­ваться, а другой — закрываться. Для устранения этих искажений на базы транзисторов подается небольшое напряжение прямого смещения (0,1-0,2 В), как показано на рис. 30.11, где резисторы R1 и R2 образу­ют общую цепь смещения для обоих транзисторов. Нелинейности двух транзисторов компенсируют друг друга, и на выходе воспроизводится не­искаженный сигнал.

Рис. 30.11. Цепь смещения R1 — R2 устраняет искажения типа «ступенька». 

Транзисторные фазорасщепители

На рис. 30.12 показана схема фазорасщепителя на транзисторе прп-типа. Резисторы R3 и R4 имеют равные сопротивления, для того чтобы полу­чить на выходе два равных по величине и противоположных по знаку си­нусоидальных сигнала, снимаемых с эмиттера и коллектора транзистора. Для обеспечения максимальной величины неискаженного выходного сиг­нала отношение сопротивлений R1 : R2 должно находиться в диапазоне от 2 : 1 до 3 : 1. Типичные значения постоянных напряжений, определя­ющих режим транзистора по постоянному току, указаны на схеме.

Рис. 30.12. Транзисторный фазорасщепитель.

Двухтактный усилитель на комплементарных транзисторах

Двухтактный усилитель мощности на комплементарных транзисторах по­зволяет отказаться от использования как фазорасщепителя на входе, так и трансформатора на выходе. В этом усилителе используются два сим­метричных транзистора, рпр- и npn-типа, называемые комплементарной парой. Принцип его работы основан на том факте, что положитель­ный сигнал открывает прп-транзистор, а отрицательный сигнал — рпр-транзистор. На рис. 30.13 приведена базовая схема двухтактного усили­теля на комплементарных транзисторах (иногда называемая каскадом с дополнительной симметрией). Транзисторы T1 и T2 работают в режи­ме класса В, т. е. в точке отсечки. Используются два источника пи­тания: +VCC и –VCC. В положительном полупериоде входного сигнала транзистор T1 открыт, а транзистор T2 закрыт. Ток i1 транзистора T1 создает положительную полуволну тока в нагрузочном резисторе R. В отрицательном полупериоде открывается транзистор T2, и теперь его ток i2, имеющий противоположное току i1 направление, протекает через на­грузочный резистор. Таким образом, на нагрузке формируется полный синусоидальный сигнал, соответствующий двум половинам полного пери­ода входного сигнала. Следует отметить, что в рассматриваемом каскаде транзисторы включены по схеме с общим коллектором, то есть как эмиттерные повторители, поскольку выходной сигнал снимается с эмиттеров транзисторов.

На рис. 30.14 приведена полная схема двухтактного усилителя мощно­сти на комплементарных транзисторах вместе с предвыходным каскадом.

Рис. 30.13. Базовая схема двухтактного усилителя на комплементарных тран­зисторах.

 

Рис. 30.14. Двухтактный усилитель на комплементарных транзисторах с неза­висимой цепью смещения для транзистора T1 предвыходного каскада.

Схема модифицирована для питания от одного источника. Транзистор T1 работает в предвыходном каскаде (предусилителе мощности). Цепь сме­щения R1 — R2 обеспечивает работу этого каскада в режиме класса А. При подаче питания устанавливается нормальный статический режим тран­зистора T1 (транзистор открыт). Разделительный конденсатор Сз раз­ряжен. Следовательно, потенциал точки А, где соединяются эмиттеры транзисторов T2 и T3, равен нулю. Однако базы этих транзисторов нахо­дятся под положительным потенциалом, определяемым напряжением на коллекторе транзистора T1. Это положительное напряжение открывает транзистор T2. Транзистор T3 (рпр-типа) при этом закрыт. Таким обра­зом, ток i2, протекающий через открытый транзистор, будет заряжать конденсатор C3, как показано на схеме. По мере заряда этого конденса­тора возрастает напряжение в точке А. Процесс зарядки продолжается до тех пор, пока не закроется транзистор T2. Это происходит в тот момент, когда напряжение на эмиттере этого транзистора (в точке А) сравнива­ется с напряжением на его базе.

Если статический режим транзистора T1 выбран таким образом, что его коллекторное напряжение равно 0,5VCC, то транзистор T2 закроется, как только потенциал точки А возрастет до 0,5VCC. В результате схе­ма будет сбалансирована по постоянному току и каждому транзистору будет приложено напряжение, равное половине напряжения источника питания. Транзисторы T2 и T3 оказываются в отсечке (режим класса В) с нулевым напряжением смещения на их эмиттерных переходах, т. е. они находятся на грани включения при отсутствии входного сигнала.

При подаче входного сигнала транзистор T1 находится в проводящем состоянии в течение всего периода, усиливая этот сигнал и обеспечивая «раскачку» выходных транзисторов T2 и T3. Комплементарная пара выходных транзисторов обеспечивает дальнейшее усиление сигнала, как это рыло описано выше при рассмотрении базовой схемы.

Схема на рис. 30.14 имеет низкую стабильность по постоянному то­ру. Любое изменение тока транзистора T1 вызывает изменение статиче­ского режима выходной пары транзисторов, что может привести к иска­жениям выходного сигнала. Для улучшения стабильности использует­ся отрицательная обратная связь по постоянному току, обеспечивающая автоматическую подстройку смещения транзистора T1, как показано на рис. 30.15. Постоянное напряжение, действующее в точке А (0,5Vcc), подается обратно на базу транзистора T1 через резистор обратной связи RF. В этой схеме громкоговоритель подключен к положительной шине источника питания через разделительный конденсатор С3. Заметим, что в такой конфигурации ток транзистора T3 заряжает этот конденсатор, а ток транзистора T2 разряжает его. Вообще, транзистор, включенный «последовательно» с разделительным конденсатором, заряжает его, а включен­ный «параллельно» — разряжает. Через резистор R4 на базы выходных транзисторов подается небольшое напряжение прямого смещения, обеспечивающее уменьшение искажений типа «ступенька». Резисторы R6 и R7 в эмиттерных цепях транзисторов T2 и T3 обеспечивают стабильность по постоянному току, а также неглубокую обратную связь по переменному оку, улучшающую частотные характеристики усилителя.

 

Рис. 30.15. Типичный двухтактный усилитель мощности на комплементарных резисторах. Смещение на базу транзистора Т1 подается через резистор отрицательной обратной связи RF.

Усилители постоянного тока

При усилении сигналов постоянного тока между каскадами действует не­посредственная связь, как показано на рис. 30.16. Напряжение на базу транзистора Т2 напрямую подается с коллектора транзистора Т1. По­этому статический режим (в отсутствие сигнала) транзистора Т2 опре­деляется статическим режимом предыдущего каскада. Отсутствие раз­делительного конденсатора позволяет усиливать самые низкочастотные сигналы.

Усилители постоянного тока подвержены так называемому дрейфу, представляющему собой сдвиг рабочей точки усилителя при изменении температуры. Для устранения дрейфа в схему включаются термисторы (термосопротивления) или другие температурно-чувствительные элемен­ты, как показано на рис. 30.16.

Рис. 30.16. Усилитель с непосредственной связью.

 

Обратная связь в усилителях

На рис. 30.17 показана система с обратной связью, в которой часть вы­ходного напряжения подается обратно на вход усилителя. Напряжение υf есть напряжение обратной связи, которое добавляется к входному на­пряжению υi для получения эффективного входного напряжения ei, дей­ствующего непосредственно на входе усилителя. Цепь обратной связи В передает весь или часть β выходного сигнала обратно на вход усилите­ля. Если выходное напряжение равно υ0, то напряжение обратной связи равно

υf  = βυ0

Эффективный сигнал на входе усилителя υi = ei + υf = ei + βυ0. При введении обратной связи коэффициент усиления становится равным

Рис. 30.17. Обратная связь в усилителях.

При введении отрицательной обратной связи, когда напряжение обрат­ной связи находится в противофазе с входным напряжением, эффектив­ное входное напряжение ei = υi – υf, что приводит к уменьшению коэф­фициента усиления всей системы. При положительной обратной связи ситуация изменяется на обратную: напряжение обратной связи находит­ся в фазе с входным напряжением, и эффективное входное напряжение ei = υi + υf,  т. е. превышает входное напряжение на величину напряже­ния обратной связи, в результате увеличивается коэффициент усиления всей системы.

Используя величины, указанные на рис. 30.17, и предполагая, что дей­ствует отрицательная обратная связь, можно рассчитать некоторые па­раметры системы с обратной связью.

Эффективное входное напряжение ei = 10 - 2 = 8 мВ.

Выходное напряжение υ0 = 8 · 100 = 800 мВ.

 Таким образом, коэффициент усиления системы с обратной связью

Коэффициент обратной связи

Различают обратную связь по току и обратную связь по напряже­нию. При обратной связи по току напряжение обратной связи пропорци­онально выходному току. Например, в схеме на рис. 30.18 такая связь осуществляется через резистор R4. Когда напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению, мы имеем дело с обратной свя­зью по напряжению. В схеме на рис. 30.18 обратная связь по напряжению осуществляется через цепь C2 – R3.

Таблица 30.1. Сравнение характеристик систем с отрицательной и положи­тельной обратной связью

Положительная обратная связь	Отрицательная обратная связь
1. Высокий коэффициент усиления 2. Узкая полоса пропускания 3. АЧХ с выбросами 4. Низкое входное сопротивление 5. Высокое выходное сопротивление 6.Вносит нестабильность как по переменному току (возникновение колебательных процессов), так и по постоянному току (неустойчи­вость стационарного режима) 7. Применяется в генераторах	1. Низкий коэффициент усиления 2. Широкая полоса пропускания  3. Плоская АЧХ 4. Высокое входное сопротивление 5. Низкое выходное сопротивление 6. Улучшается устойчивость системы, как по переменному, так и по постоянному току  7. Часто применяется для улучше­ния устойчивости и расширения полосы пропускания усилителя

Рис. 30.18. Усилитель на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, с двумя видами обратной связи: по току (через резистор R4) и по напряжению (через цепь C2 – R3).

Усилители радиочастоты (УРЧ)

На радиочастотах, например в УКВ-диапазоне, влияние межэлектродных емкостей транзистора, особенно между коллектором и базой, становит­ся очень заметным. Для устранения влияния этих емкостей использу­ется усилитель по схеме с общей базой. Однако в схеме с ОБ транзи­стор имеет низкое входное сопротивление, которое чрезмерно нагружает предыдущий каскад, работающий на усилитель.

Рис. 30.19. Каскодный усилитель.

Для решения пробле­мы существуют два метода. В первом методе используется усилительс ОЭ и схемой нейтрализации обратной связи. Такая схема компенсирует, или нейтрализует, отрицательную обратную связь через емкость перехо­да коллектор-база за счет введения еще одной петли обратной связи, но противоположного знака.

Во втором методе используется усилитель с общим эмиттером, каскодно включенный с усилителем с общей базой (рис. 30.19). Транзистор T1 работает в усилителе с ОЭ, а транзистор T2 — в усилителе с ОБ. Входной сигнал подается на базу транзистора T1. Его эмиттер развязан с шасси через конденсатор С3. Выходной сигнал с коллектора транзистора T1 по­дается на эмиттер транзистора T2, база которого развязана с шасси через конденсатор С1. Смещение обоих транзисторов обеспечивает резисторная цепочка R1 – R2 – R3.

 

Hi-Fi-усилители

Английское сокращение Hi-Fi(high fidelity — высокая верность переда­чи или воспроизведения, читается «хи-фи») используется для обозначе­ния высокого качества. Этот термин применяется в звуковоспроизводя­щей аппаратуре, которая обеспечивает реалистичное воспроизведение ис­ходного звука, — другими словами, высокое качество воспроизведения. Hi-Fi-системы должны иметь широкую полосу пропускания (40 Гц — 16 кГц), низкий уровень шумов и воспроизводить звук с минимальными искажениями.

Регулировка тембра

регулировка тембра нужна для расширения или сужения (т. е. изме­нения формы) АЧХ усилителя. Регулировка тембра осуществляется в области нижних (низкочастотный участок АЧХ) и верхних (высокоча­стотный участок АЧХ) звуковых частот. Для этой цели используются самые различные схемы: начиная от простейшей цепи, состоящей из последовательно включенных конденсатора и резистора, до очень сложных систем с использованием обратной связи. На рис. 30.20 приведена схе­ма регулятора тембра с возможностью независимой регулировки тембра в области нижних и верхних звуковых частот. На элементах R1 и C1 выполнен делитель напряжения поступающего сигнала ЗЧ. Поскольку реактивное сопротивление конденсатора C1 мало па высоких частотах, этот делитель обеспечивает ослабление верхних звуковых частот, при­чем степень ослабления зависит от установки движка потенциометра R1. Элементы R2 и C2 образуют еще один делитель. Конденсатор C2 имеет высокое реактивное сопротивление в области нижних звуковых частот, поэтому второй делитель ослабляет эти частоты в степени, зависящей от установки потенциометра R2. 

Рис. 30.20. Схема регулятора тембра.

Громкоговорители

Громкоговоритель представляет собой преобразователь электрической энергии в акустическую или звуковую энергию. Один из факторов, определяющих выбор громкоговорителя, — его АЧХ по звуковому давлению, т. е. диапазон эффективно воспроизводимых им звуковых частот. Еслидиапазон частот, воспроизводимых данным громкоговорителем, недостаточно широк, можно использовать два громкоговорителя, один из которых хорошо воспроизводит нижние, а другой — верхние звуковые частоты. На рис. 30.21 иллюстрируется один возможный способ разбиение частотного диапазона с помощью разделительного (двухполосного) фильтра.

Рис. 30.21. Двухполосный разделительный фильтр для акустической системы с использованием низкочастотного и высокочастотного громкоговорителей.

Разделительный фильтр состоит из фильтра нижних частот L1 — C1, к выходу которого подключается низкочастотный громкоговоритель, и фильтра верхних частот L2 — C2, связанного с высокочастотным громко­говорителем.

Другими факторами, влияющими на выбор громкоговорителя, явля­ются его выходная мощность, КПД и сопротивление (для согласования с УЗЧ).

В этом видео рассказывается об усилителе мощности для самостоятельной сборки:

Добавить комментарий

radiolubitel.net

---

• 
  Когда появилось электричество в россии
• 
  Производство потребление и передача электроэнергии
• 
  Социальные нормы потребления электроэнергии на человека в 2018 году
• 
  Как называются длинные лампочки
• 
  Индукционный это
• 
  Свойства бронзы и латуни
• 
  Ва выключатели
• 
  Мингаз тарифы
• 
  Дроссели это
• 
  Обратная полярность при сварке инвертором
• 
  Радиальная система