Исходные данные. 5 страница

Преимущество двухтактного трансформаторного усилителя заключается так же в малой паразитной связи с предыдущими каскадами, возникающей через общий источник коллекторного питания, потому что к этому источнику проходят только четные гармоники усиливаемого сигнала, а на их частотах самовозбуждения усилителя не возникает. По этой причине в малокаскадных усилителях упрощаются, а иногда и полностью исключаются развязывающие фильтры и часто отпадает необходимость в блокировочном конденсаторе.

К недостаткам - необходим тщательный подбор пар транзисторов с идентичными параметрами, частотные и фазовые искажения, вносимые трансформатором, и необходимость иметь на входе парафазный сигнал.

Другие схемы (бестрансформаторные).

Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь без выходного трансформатора позволяют устранить эти недостатки, снизить размеры, массу и стоимость каскада и избавиться от нелинейных искажений в режиме В из- за отсечки.

Если включить нагрузку в однотактной схеме непосредственно, то через нее потечет значительный ток постоянной составляющей, что снизит КПД. В бестрансформаторном двухтактном усилителе постоянная составляющая через нагрузку не течет, но для получения высокого КПД необходимо иметь нагрузку с повышенным сопротивлением.

Один из вариантов:

Питание осуществляется от двух источников питания, соединенных последовательно или от одного со средней точкой.

Рассматриваемый каскад может работать как в режиме класса А, так и в режиме класса В.

Самой распространенной схемой, не имеющей аналогов в ламповых схемах является схема с комбинацией транзисторов N-P-N и P-N-P типов. Эта схема имеет все достоинства обычных двухтактных каскадов, но вход и выход в них- однотактные, так что не требуется ни трансформаторов, ни фазоинверторов.

Симметрия зависит от транзисторов, которые должны иметь одинаковые параметры и характеристики.

В этом каскаде транзисторы оказываются включенными по постоянному току- последовательно, а по переменному- параллельно. Общий провод предварительных каскадов можно подключить как к точке А, так и к точке В. При подключении к точке А используется лишь половина напряжения питания мощного каскада. При подключении к точке В можно использовать все напряжение питания мощного каскада, но точка А оказывается под выходным напряжением сигнала последнего, что требует увеличения необходимого входного напряжения.

Обратная связь в усилителях.

Обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу части энергии с выхода на вход.

ОС может быть искусственной, созданной для улучшения каких- либо характеристик усилителя, а может быть и паразитной, возникающей за счет влияния выходных цепей усилителя на его входные цепи.

В зависимости от фазы напряжения ОС различают положительную и отрицательную ОС. Если сигнал ОС по фазе совпадает с сигналом на входе- связь положительная, если сдвинута на 180⁰- отрицательная. При этом предполагается, что ни усилитель, ни цепь ОС не включают добавочных фазовых сдвигов. В усилителях применяется, почти исключительно ООС, которая позволяет уменьшить искажения всех видов, повысить стабильность коэффициента усиления, уменьшить помехи, возникающих за счет воздействия посторонних магнитных и электрических полей, пульсаций источников питания т т.д.

Основным недостатком ООС является снижение коэффициента усиления и возможность появления паразитной генерации при неправильном выборе фазы и величины ООС.

Способы подачи ОС.

Коэффициент b показывает какую часть выходного напряжения Uвых составляет напряжение ОС Uос, передаваемое на вход усилителя. Обычно b<1.

Схемы ОС бывают последовательными, когда напряжение ОС подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом (см.рис.а) и параллельными, когда напряжение ОС подается на вход усилителя, параллельно входному сигналу (см.рис.б).

В зависимости от способа подключения звена ОС к выходу усилителя, различают ОС по напряжению и по току.

В схемах усилителей с ОС по напряжению, напряжение ОС Uос передаваемое на вход усилителя с его выхода, пропорционально выходному напряжению Uвых (см.рис.в), а в схемах с ОС по току- пропорционально току нагрузки Iнагр на выходе устройства (см.рис.г).

Если напряжение ОС состоит из двух составляющих, одна из которых пропорциональна току, а вторая- напряжению, то получим смешанную связь.

Рассмотрим влияние ОС на коэффициент усиления усилителя. Т.к. ОС или положительная или отрицательная, то напряжение ОС в общем случае можно записать так: Uос= + bUвых, где знак "+" для ПОС, а "-" для ООС. Тогда напряжение, приложенное к входной цепи Uвх’=Uвх+(+ Uос)=Uвх+(+ Uвхb). Откуда выражение для напряжения входного сигнала:

Uвх=Uвх’-(+ bUвых).

Коэффициент усиления усилителя, охваченного цепью ОС, представляет собой отношение выходного напряжения Uвых к входному, тогда

.

Разделим числитель и знаменатель на Uвх’:

.

Произведение + bК- есть фактор ОС, знак его не совпадает со знаком ОС. При положительной ОС Кос=К/(1-bК), то есть знаменатель дроби уменьшается, а при отрицательной ОС Кос=К/(1+bК), т.е. коэффициент усилителя уменьшается в (1+bК) раз. Но ООС повышает стабильность работы усилителя в (1+bК) раз.

Причинами нестабильности работы усилителя являются:

* изменение температуры,

* нестабильность напряжений источников питания,

* старение деталей и усилительных элементов и т.п.

Применение стабилизаторов напряжений и температуры экономически невыгодно и результаты при этом менее эффективны, чем при использовании ОС.

ОС, изменяя коэффициент усиления усилителя, изменяет и его частотную, фазовую и переходные характеристики.

Следует иметь в виду, что один и тот же усилитель на одних частотах может иметь ООС, а на других за счет изменения модуля и фазы bК связь может стать положительной, что может вызвать в усилителе генерацию.

Если цепь ОС в рассматриваемой полосе частот не вносит частотных искажений и фазовых сдвигов, то такую ОС называют частотно независимой, в противном случае ОС является частотно зависимой. Частотно зависимая ООС позволяет спрямить частотную характеристику усилителя. Если на какой- либо частоте коэффициент усиления К уменьшается, то одновременно уменьшается и напряжение ОС, подаваемое в противофазе с напряжением сигнала на входе. Это влечет за собой увеличение суммарного напряжения на входе, в следствии чего напряжение на выходе усилителя уменьшается в меньшей степени. При наличии подъема в частотной характеристике наблюдается обратная картина.

За счет изменения знак ОС на крайних частотах частотная характеристика может иметь подъем даже в том случае, когда усилитель до введения ОС имел характеристики с провалом на этих частотах.

Схемы усилителей с ОС.

Приведена схема транзисторного каскада с последовательной ОС по напряжению, снимаемому со специальной обмотки ОС.

Коэффициент передачи цепи ОС определяется соотношением b=w_b/w.

Схемы с ООС предназначенные для температурной стабилизации рабочей точки уже рассматривались.

Эмиттерный повторитель.

Эмиттерный повторитель (ЭП) представляет собой каскад с последовательной ООС по напряжению.

ЭП имеет большое входное сопротивление, небольшое выходное сопротивление, малую входную динамическую емкость и небольшой коэффициент гармоник. Он не дает усиления по напряжению, но усиливает по току. Его входное и выходное сопротивление, коэффициенты усиления по току и напряжению.

Коллектор транзистора подключен к источнику питания Ек. Нагрузка Rн подключена к эмиттерной цепи. Источник сигнала Uвх подсоединен между базой и общим проводом. При подаче входного сигнала токи и напряжения транзистора получают приращение. При положительном (или отрицательном) входном сигнале Uвх токи базы и эмиттера увеличиваются (или уменьшаются), возрастает (уменьшается) падение напряжения на R_Э. Приращение напряжения на нем соответствует выходному сигналу, который будет положительным (отрицательным). Таким образом полярность входного и выходного сигналов в схеме с ОК совпадают, каскад является неинвертирующим усилителем и носит название эмиттерного повторителя.

Название эмиттерный повторитель закрепилось за каскадом с ОК потому, что он передает сигнал с коэффициентом Ku близким к единице и не искажает его форму благодаря наличию ООС.

Широкополосный усилитель.

Часто требуются усилители с весьма широкой полосой пропускания частот. Такие широкополосные усилители получили название видеоусилителей (по применению в телевидении). Для нормальной работы усилителя в широкой полосе частот обычно используют схемы резистивных каскадов, т.к. они обеспечивают наилучшие частотные и фазовые характеристики. Однако с увеличением частоты усиление обычного резистивного усилителя падает в следствие шунтирующего действия входной емкости (Со). Для повышения усиления резистивного каскада и получения линейной фазовой характеристики в схему видеоусилителя включают элементы частотно- фазовой коррекции на верхних и нижних частотах. Кроме того, в широкополосных каскадах используют высокочастотные транзисторы с большой граничной частотой. Транзисторы включают по схеме с ОЭ.

Схема коррекции искажений на высоких частотах.

Эта схема содержит катушку индуктивности L, включенную последовательно с резистором выходной нагрузки Rн. Действующее сопротивление выходной нагрузки контура СоLRн может быть почти постоянным в более широкой полосе частот, чем сопротивление CoRн нагрузки некорректированного резистивного каскада. Это объясняется тем, что с увеличением частоты сопротивление индуктивной ветви контура LRн возрастает и в некотором диапазоне частот компенсирует уменьшение сопротивления емкости Со. Предельная частота в этом случае увеличивается в 1.7 раза по сравнению с некомпенсированным усилителем. При правильном выборе L усиление каскада будет почти постоянным, а фазовая характеристика схемы на верхних частотах почти линейна.

При практических расчетах, зная Со и fв можно определить Rн и L по следующим формулам:

.

Более совершенной схемой является следующая:

Эта схема сложной коллекторной коррекции. Включение второй корректирующей катушки L₂ позволяет уменьшить влияние выходной емкости транзистора на частотную характеристику в области верхних частот и повысить коэффициент усиления каскада на 20-40% по сравнению со схемой простой коллекторной коррекции.

Недостатком таких схем является сложность их расчета и настройки.

Схема коррекции на нижних частотах.

Для подъема характеристики на нижних частотах и компенсации частотных и фазовых искажений в коллекторную цепь транзистора включают корректирующий фильтр СфRф. На средних частотах реактивное сопротивление конденсатора Сф очень мало и сопротивление коллекторной нагрузки будет приблизительно равно Rн.

В диапазоне нижних частот реактивное сопротивление конденсатора Сф возрастает, сопротивление нагрузки растет, в следствии чего увеличивается усиление каскада. При правильном выборе величин Rф и Сф можно обеспечить равномерное усиление в области более низких частот.

Фазоинверсные каскады.

Для работы двухтактного усилительного каскада на базы следует подвести напряжения, равные по величине и взаимно противоположные по фазе. Такие напряжения можно получить с помощью трансформатора с обмоткой со средним выводом. Однако трансформаторы пропускают довольно узкую полосу частот и являются громоздкими и дорогими элементами.

Поэтому для получения двухфазного напряжения обычно используют реостатно- емкостные фазоинверсные схемы.

В этой схеме нагрузка разделена на две части Rк и R_Э по ни течет практически один и тот же ток и напряжения Uвых₁= Uвых₂, если Rк=R_Э.

Но Uвых₁ сдвинуто относительно входного на 180⁰, значит и Uвых₁ сдвинуто относительно Uвых₂ на 180⁰. Приведенная схема с разделенной нагрузкой имеет то преимущество, что в ней используется лишь один усилительный элемент и при этом получаются хорошие частотные, фазовые и переходные характеристики на верхних частотах. Такая схема не дает усиления напряжения сигнала и имеет вдвое меньшее максимальное выходное напряжение по сравнению с обычным резисторным каскадом.

Заметим, что в рассматриваемой схеме нельзя использовать низкочастотную коррекцию цепочкой СфRф.

Фазоинверсный каскад с эмиттерной связью.

Входное сопротивление этой схемы примерно вдвое больше входного сопротивления обычного резисторного каскада с ОЭ.

Фазочувствительные усилители- преобразователи электрических сигналов.

Фазочувствительным усилителем является усилитель среднего значения тока. Эти усилители находят широкое применение в синхронноследящих системах, когда исполнительное устройство работает от сигнала постоянного тока, а датчик вырабатывает сигнал переменного тока. В этом случае переменный сигнал датчика сначала усиливается в предварительных каскадах, а затем преобразуется в сигнал постоянного тока. Величина и полярность средневыпрямленного напряжения зависит как от амплитуды входного сигнала, так и от угла сдвига между напряжением входного сигнала и некоторым переменным опорным напряжением.

Опорным напряжением обычно является переменное напряжение на коллекторе транзистора. При переменном коллекторном питании управлять средним коллекторным током транзистора можно несколькими способами:

* изменением величины постоянного входного напряжения;

* изменением величины переменного входного напряжения, той же частоты, что и коллекторное (опорное) напряжение;

* изменением фазы переменного входного напряжения относительно переменного коллекторного напряжения;

* комбинированием вышеперечисленных способов.

Наиболее часто в практике сдвиг фазы j равен нулю или 180⁰.

В результате применения переменного коллекторного питания и знакопеременного напряжения управляющего сигнала в цепи база- эмиттер схема приобретает свойства фазовой чувствительности. Транзистор питается пульсирующим током, выпрямленным с помощью диода.

В САР используют все группы фазочувствительных усилителей- преобразователей, причем нагрузка усилителей может быть как активная, так и комплексная.
Дифференциальный усилитель.

ДУ- схема, используемая для усиления разности напряжения разности двух входных сигналов.

В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называется синфазным.

ДУ используется в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, сигналы тензодатчиков и пьезоэлементов, сигналы, считываемые с магнитной памяти и т.п.

ДУ широко используются при построении операционных усилителей.

Выходное напряжение измеряется на одном из коллекторов относительно потенциала земли, такой усилитель называют схемой с однополюсным выходом или разностным усилителем и он распространен наиболее широко.

Этот усилитель можно рассматривать как устройство, которое усиливает дифференциальный сигнал, с которым могут работать обычные схемы. Если же нужен усиленный дифференциальный сигнал, то его снимают между коллекторами. Усиление синфазного сигнала в ДУ можно значительно уменьшить, если резистор R₁ заменить источником тока. При этом действующее значение сопротивления R₁ станет очень большим, а усиление синфазного сигнала будет ослаблено почти до нуля.

Источник тока в эмиттерной цепи поддерживает полный эмиттерный ток постоянным и он равномерно распределяется между двумя коллекторными цепями. Следовательно, сигнал на выходе схемы не изменяется. На схеме не показаны цепи базовых смещений.

Применение дифференциальных схем в усилителях постоянного тока с однополюсным выходом.

ДУ может прекрасно работать как усилитель постоянного тока даже с несимметричными (односторонними) выходными сигналами. Для этого нужно один из его входов заземлить, а на другой подать входной сигнал.

Можно ли исключить "неиспользуемый " транзистор? Нет. Дифференциальная схема обеспечивает компенсацию температурного дрейфа, и, даже когда один вход заземлен, транзистор выполняет некоторые функции: при изменении температуры напряжения U_БЭ изменяются на одинаковую величину, при этом не происходит никаких изменений на выходе и не нарушается балансировка схемы. Качество такого усилителя постоянного тока ухудшается только из- за несогласованности напряжений U_БЭ или их температурных коэффициентов.

Промышленность выпускает транзисторные пары и интегральные ДУ с очень высокой степенью согласованности. Дрейф напряжения U_БЭ определяется величиной 0.15 мкВ/С⁰ и 0.2 мкВ в месяц непрерывной работы. В зависимости от того, какой вход заземлен, усилитель будет или не будет инвертировать сигнал.

Использование токового зеркала в качестве активной нагрузки.

Иногда желательно, чтобы однокаскадный ДУ как и простой усилитель с заземленным эмиттером имел большой коэффициент усиления.

Красивое решение дает использование токового зеркала в качестве активной нагрузки усилителя.

Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют дифференциальную пару с источником тока в эмиттерной цепи. Транзисторы Т₃ и Т₄, образующие токовое зеркало, выступают в качестве коллекторной нагрузки. Тем самым обеспечивается высокое значение сопротивления коллекторной нагрузки, благодаря этому коэффициент усиления по напряжению достигает 5000 и выше. Такие схемы как правило в компараторах.

Дифференциальные усилители как схемы расщепления фазы.

На коллекторах симметричного ДУ возникают сигналы, одинаковые по амплитуде, но противоположные по фазе. Таким образом наблюдаем эффект расщепления фазы. Дифференциальный выходной сигнал можно затем использовать для управления еще одним ДУ.

Емкость и эффект Миллера.

До сих пор пользовались моделью транзистора для сигналов постоянного тока или низкой частоты. В простейшей модели транзистора, как усилителя тока, токи и сопротивления рассматриваются не связано со стороны различных выводов транзисторов. Эта модель охватывает довольно широкий круг вопросов, но не содержит все моменты, которые необходимо рассмотреть при разработке электронных схем. Не учитывается тот момент, что внешние цепи и сами переходы транзистора обладают некоторой емкостью, которую необходимо учитывать при рассмотрении быстродействующих и высокочастотных схем. На частоте 100 МГц емкость перехода в 5 пкФ представляет импеданс (комплексное сопротивление в общем) в 320 Ом.

Емкость схемы и перехода.

Емкость ограничивает скорость изменения напряжения в схеме, т.к. любая схема имеет собственные конечные выходные импедансы. Общая рекомендация заключается в следующем: для ускорения работы схемы следует уменьшить импеданс источника и емкость нагрузки и увеличивать управляющий ток. Однако, некоторые особенности связаны с емкостью обратной связи и со входной емкостью. Схема иллюстрирует как проявляются емкости переходов транзистора. Выходная емкость образует RС цепь с выходным сопротивлением Rн, которое включает сопротивление нагрузки и сопротивление коллекторного перехода, а емкость Cн - емкость перехода и емкость нагрузки. В связи с этм спад сигнала начинается на частоте f=1/(2pRнСн). То же самое можно сказать о входной емкости и сопротивлении.

Эффект Миллера.

Емкость Скб играет здесь основную роль. Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению Кu, следовательно, небольшой сигнал напряжения на входе порождает на коллекторе сигнал в Ku раз превышающий входной. Из этого следует, что для источника сигнала емкость Скб в (Кu+1) раз больше, чем при подключением Скб между базой и землей, т.е. при расчете частоты среза входного сигнала можно считать, что емкость ОС ведет себя как конденсатор емкостью Скб(Кu+1), подключенный между входом и землей. Такое увеличение емкости Скб и называется эффектом Миллера.

Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, т.к. типичное значение емкости обратной связи около 4 пФ эквивалентно емкости в несколько сотен пФ, присоединенной к земле.

Существует несколько методов борьбы с эффектом Миллера. Например, он будет полностью устранен, если использовать усилительный каскад с общей базой.

Импеданс источника можно уменьшить, если подавать сигнал на каскад с заземленным эмиттером через эмиттерный повторитель. На рисунке показано еще две возможности.

В ДУ (без резисторов в коллекторе Т₁) эффект Миллера не наблюдается. Эту схему можно рассматривать как эмиттерный повторитель, подключенный к каскаду с заземленной базой.

На второй схеме показано каскодное включение транзисторов. Т₁- это усилитель с заземленным эмиттером, резистор Rн является общим коллекторным резистром. Транзистор Т₂ включен в коллекторную цепь для того, чтобы предотвратить изменение сигнала в коллекторе Т₁ (и тем самым устранить эффект Миллера) при протекании коллекторного тока через резистор нагрузки. Напряжение U₊ - это фиксированное напряжение смещения, обычно оно нак несколько вольт превышает напряжение на эмиттере Т₁ и поддерживает коллектор Т₁ в активной области. На рисунке показана лишь часть каскодной схемы, в нее можно включить зашунтированный эмиттерный резистор и делитель напряжения для подачи смещения на базу или охватить всю схему петлей ОС по постоянному току.

Паразитные емкости могут создавать и более сложные проблемы, чем те которые рассмотрели. В частности:

* спад усиления, обусловленный наличием емкости ОС и выходной емкости;

* входная емкость так же оказывает влияние на работу схемы даже при наличии мощного источника входных сигналов, ток протекающий через С_ЭБ не усиливается транзистором, т.е входная емкость "присваивает" себе часть входного тока, в следствии чего коэффициент усиления на высоких частотах снижается;

* дело осложняется и тем, что емкости переходов зависят от напряжения, особенно сильно меняется С_ЭБ;

* если транзистор работает как переключатель, то заряд, накопленный в области базы в режиме насыщения так же уменьшает быстродействие.

Некоторые практические схемы.

Терморегулятор:

Показанная схема регулятора основана на использовании термистора- чувствительного элемента, сопротивление которого зависит от температуры. Дифференциальная схема на составных транзисторах Т₁-Т₄ сравнивает напряжение, формируемое регулируемым делителем эталонного напряжения на резисторах R₄-R₆, с напряжением, которое снимается с делителя, образованного термистором и резистором R₂.

Токовое зеркало на транзисторах Т₅Т₆ является активной нагрузкой и служит для увеличения коэффициента усиления, а так же токовое зеркало на транзисторах Т₇Т₈ обеспечивает эмиттерный ток. Транзистор Т₉ усиливает выходное напряжение ДУ и переводит в насыщение составной транзистор Т₁₀Т₁₁, который таким образом подает мощность на нагреватель, если термистор охладился.

Выбор сопротивления R₉ зависит от требуемого тока. Этот резистор включает защитный транзистор Т₁₂. Если выходная величина тока превышает 6 А, то он отключает сигнал с базы составного транзистора Т₁₀Т₁₁, предотвращая выход схемы из строя.

Схема

"сторожа".

Усилители на ПТ.

Истоковые повторители и усилители на ПТ с общим истоком- это аналоги эмиттерных повторителей и усилителей с ОЭ на биполярных транзисторах. Однако отсутствие постоянного тока затвора дает возможность получить очень высокое входное сопротивление. Такие усилители необходимы, когда мы имеем дело с высокоомным источником сигналов, встречающихся в измерительных схемах.

В некоторых случаях используются схемы на дискретных ПТ, в других- в составе операционных усилителей интегральных микросхем.

Обычно, для ПТ с p-n- переходом применяются те же схемы автоматического смещения, что и в источниках на ПТ, с одним резистором смещения затвора: для МОП- транзисторов требуется делитель, питаемый от источника напряжения стока, или расщепленный источник, как в биполярном транзисторе. Резистор смещения затвора может иметь сопротивление порядка нескольких МОм, т.к. ток утечки измеряется в А.

Дата добавления: 2015-05-06