ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Генератор электрических колебаний — это устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию колебаний напряжения, тока или мощности. Соответственно различают генераторы тока, генераторы напряжения и генераторы мощности требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).
Независимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: режим автоколебаний и режим запуска внешними импульсами (генератор с внешним возбуждением), который усиливает сигналы, поступающие извне схемы.
Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называют автогенератором (АГ) от слова «автономный». Это генераторы с самовозбуждением, они работают в режиме усиления колебаний, возникающих непосредственно в данной схеме. Переменное напряжение формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управляющего воздействия. Автогенераторный режим работы применяется в устройствах, используемых в основном в качестве задающих генераторов. Различают следующие основные типы автогенераторов: низкочастотные (до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 10 МГц) и ультравысокочастотные (свыше 10 МГц) автогенераторы.
Автогенератор — это усилитель с сильной положительной обратной связью. Любой усилитель с положительной обратной связью при в • K > 1 (в • K — фактор обратной связи) переходящий в режим генератора ( т.е. самовозбуждается).
Резистивный усилитель при этом генерирует широкий спектр частот (т.е. возбуждается на всех частотах). Чтобы генератор возбуждался только на одной определённой частоте, в качестве нагрузки используют параллельный колебательный контур.
Основные функциональные элементы АГ: активный элемент, выполненный в виде усилительного устройства для обеспечения условия баланса амплитуд, и фазосдвигающая цепь, обеспечивающая условие баланса фаз. Простейший автогенератор гармонических колебаний может быть реализован на однокаскадном усилителе, охваченном положительной обратной связью (ПОС). Как известно, фаза выходного сигнала в транзисторном каскаде, выполненном на транзисторе с ОЭ, оказывается сдвинутой относительно входного на угол, равный п. Для выполнения условия баланса фаз этот угол должен быть равен 2п. Поэтому автогенератор на однокаскадном усилителе можно получить, если за счёт внешней фазосдвигающей цепи обеспечить дополнительный сдвиг фазы выходного сигнала на угол, равный п.
В реальных АГ такой фазовый сдвиг в каналах обратной связи осуществляют двумя способами: посредством магнитной (трансформаторной) связи, реализующей так называемые LC схемы, и с помощью резистивно-ёмкостной связи в RC схемах. Для реализации резистивноёмкостной связи в цепь ПОС можно включить RC контур (Г-образную ячейку).
Для получения синусоидального выходного напряжения широко применяют генераторы, использующие в цепи ПОС параллельный колебательный контур. Рассмотрим работу таких устройств.
Потери в контуре должны непрерывно пополняться таким образом, чтобы за каждый период в контур вносилась энергия, равная его потерям (условие баланса амплитуд). При этом пополнение контура энергией должно происходить синхронно с напряжением на контуре, т.е. направление первой гармоники анодного тока должно совпадать с полярностью переменного напряжения на контуре (условие баланса фаз).
Условие баланса амплитуд обеспечивается при правильном выборе коэффициента обратной связи (индивидуально для каждой схемы). Условие баланса фаз соблюдается в том случае, когда переменные напряжения на базе и на коллекторе транзистора в противофазе.
Структурная схема автогенератора
Существенная особенность автогенераторов — их способность поддерживать незатухающие колебания при наличии потерь энергии колебательного процесса. В автогенераторах амплитуда колебаний не зависит от начальных условий, а после прекращения внешних воздействий, связанных с поступлением или расходом внешней энергии, амплитуда колебаний принимает прежнее значение. Такие явления не могут иметь место в линейных системах. Поэтому в составе любого автогенератора обязательно имеется нелинейный элемент, например, транзистор. Обычно автогенератор состоит из нелинейного резонансного усилителя и цепи положительной обратной связи.
Функциональная
схема автогенератора содержит колебательную систему (КС) — обычно колебательный
контур, в котором возбуждаются требуемые незатухающие колебания; источник
электрической энергии (ИЭ) — источник питания, за счёт которого регулируется
подача энергии от источника питания в контур; элемент обратной связи (ЭОС),
посредством которого осуществляется подача возбуждающего переменного
напряжения из выходной цепи во входную
В автогенераторе регулирование поступления или расхода энергии происходит только под воздействием внутренних процессов в нём. При этом изменяется режим работы нелинейного элемента, что приводит к изменению количества энергии источников питания, преобразуемой в энергию колебательного процесса. Обычно при увеличении амплитуды колебаний сначала поток энергии возрастает, а при дальнейшем росте амплитуды потери начинают преобладать над поступлением энергии. Физический процесс нарастания амплитуды объясняется тем, что за один период колебания энергии поступает больше, чем расходуется.
С ростом амплитуды начинает проявляться нелинейность системы (кривизна выходной характеристики транзистора) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуды прекращается, когда усиление снижается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке. Устанавливается динамическое равновесие между поступлением энергии и её потерями при данной амплитуде колебаний.
 |
 |
Процесс саморегулирования поступления энергии в АГ определяется наличием в них положительной обратной связи (ПОС). По способу осуществления ПОС различают автогенераторы с индуктивной (трансформаторной или автотрансформаторной) и ёмкостной обратной связью. Используются также схемы двухконтурных генераторов с электронной связью и с ОС через междуэлектродные ёмкости.
.
Схема
автогенератора с индуктивной (трансформаторной) ОС приведена на рис. 7.43. При
включении источника питания коллекторной цепи транзистора возникает ток
коллектора, который заряжает конденсатор колебательного контура. После заряда
конденсатор разряжается на катушку. В результате в контуре ЬкСк возникают
свободные колебания с частотой f = 1/2п, индуктирующее в катушке связи L переменное
напряжение той же частоты, с которой происходят колебания в контуре. Это напряжение
вызывает пульсацию тока коллектора. Переменная составляющая этого тока
восполняет потери энергии в контуре, создавая на нём усиленное транзистором
переменное напряжение. Незатухающие колебания в контуре автогенератора
установятся лишь при выполнении условий баланса фаз и баланса амплитуд.
В схеме на базу транзистора подаётся начальное напряжение смещения Есм = Er с делителя R1R2.
Автогенераторы
типа LC хорошо работают на высоких частотах (радиочастотах). Для генерирования
низких частот (звуковых и ультразвуковых) применение колебательных контуров LC
становится затруднительным из-за необходимости применения ёмкостей и
индуктивностей очень больших значений и размеров. Этого недостатка лишены
автогенераторы типа RC, в которых вместо колебательных контуров используются
цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов. На практике применяется автогенератор
типа RC (рис. 7.47).
Нагрузкой здесь является активное сопротивление R к, а положительная обратная связь осуществляется с помощью трёхзвенной RC цепочки. Поскольку транзистор изменяет фазу напряжения на 180°, цепь положительной обратной связи должна обеспечивать дополнительный сдвиг фазы на 180°. Для этого необходимо иметь не менее трёх звеньев RC цепочки, так как каждое звено может создавать сдвиг фазы, меньший 90°. Частота, на которой возможна генерация в данной схеме:
юр =4б/LC. 7.51
Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент обратной связи должен быть равен в ^ 1/^, где ^ — коэффициент усиления по току транзистора, включённого по схеме с ОЭ.
Следовательно, частота генерации определяется параметрами RC цепочки. Подбор сопротивлений R и ёмкостей C не имеет жёстких ограничений. В схеме на одном транзисторе генерация затруднена вследствие сильного рассогласования входного и выходного сопротивлений каскада на транзисторе. Целесообразно применять составной транзистор, обеспечивающий высокое входное сопротивление усилителя.
Чтобы улучшить форму олебаний, т.е. сделать её
более близкой к синусоидальной, используют RС-генераторы, основой которых
является операционный усилитель, охваченный цепью отри
цательной
обратной связи, состоящей из резисторов R3 R4. Пример такого генератора
представлен на рис.
Для неинвертирующего выхода этого усилителя справедливо соотношение
K = U1IU2 = R4/R3. 7.52
Имеется также положительная обратная связь, состоящая из резисторов R1, R2 и конденсаторов С1,С2. В данной схеме резонансная частота зависит от величины элементов R1, R2, С1,С2.
Главным свойством R С-генераторов является весьма малый процент содержания в выходном напряжении высших гармонических составляющих, поскольку в схеме практически отсутствуют нелинейные элементы. Схемы R С-генераторов используются именно тогда, когда нужно получить строго синусоидальные колебания, например, при создании измерительных приборов.
Стабилизация частоты генераторов
Одно из основных требований, предъявляемых к автогенераторам — стабильность частоты. Причины нестабильности частоты генератора:
изменение температуры;нестабильность напряжения источников питания;
старение деталей схемы; вибрация;
влияние потребителей выходного сигнала (нагрузки).
Частота, на которую настраивается колебательный контур, зависит от ёмкости конденсатора и индуктивности катушки контура,
что видно из формулы резонансной частоты f = 1/VZC. С изменением температуры изменяются индуктивность катушки и ёмкость конденсатора, что приводит к изменению частоты. Для уменьшения влияния температуры применяют термостатирование схемы или колебательного контура; при изготовлении конденсаторов применяют материалы с малым температурным коэффициентом линейного расширения, а также используют компенсирующие конденсаторы.
В качестве компенсирующих конденсаторов
используют керамические ти- кондовые конденсаторы. Тиконд — особый сорт
керамики, у которого отрицательный температурный коэффициент диэлектрической
проницаемости. При использовании тикондово- го конденсатора колебательный
контур приобретает вид, указанный на рис.
Влияние напряжения источников питания
В схемах с последовательным питанием при увеличении напряжения источника питания коллекторной цепи Ек увеличивается ток, протекающий через катушку контура, изменяются параметры катушки, следовательно, меняется частота колебаний. Для уменьшения влияния напряжения источника питания коллекторной цепи Ек источник питания надо стабилизировать.
Влияние старения деталей схемы
С течением времени все детали изменяют свои параметры, то есть происходит старение деталей. Например, с течением времени изменяется магнитная проницаемость сердечника, приходится вести подстройку. Процесс старения с течением времени замедляется, поэтому используют искусственное старении деталей, который происходит в заводских условиях при повышенной температуре.
При вибрации частота колебаний изменяется скачком. Чтобы этого не происходило, проводится амортизация схемы.
Влияние потребителей выходного сигнала
Потребитель, будучи связан с колебательным контуром, определяющим частоту колебаний генератора, вносит в него реактивное и активное сопротивления. Активное сопротивление, вносимое в контур, уменьшает его добротность, при этом уменьшается резонансное сопротивление контура, уменьшается амплитуда и ухудшается самовозбуждение. Реактивное сопротивление, вносимое в контур, изменяет параметры контура, следовательно, изменяет резонансную частоту. При изменении параметров потребителя изменяются параметры контура, следовательно, и частота генератора.
Для уменьшения связи потребителя с контуром используют: уменьшение разделительной ёмкости или индуктивной связи или применяют двухконтурные генераторы (рис. 7.50).
В двухконтурном генераторе частота колебаний определяется параметрами первого контура. Второй контур настраивается на частоту первого. Потребитель выходного сигнала связан со вторым контуром и не оказывает влияния на частоту колебаний генератора.
Ранее рассмотренные методы стабилизации относятся к параметрическим. Но наиболее эффективный способ повышения устойчивости частоты генераторов — кварцевая стабилизация. Для построения генераторов, у которых частота колебаний поддерживается с очень
высокой
точностью используются кварцевые резонаторы. Кварцевый резонатор — это пластинка,
вырезанная из монокристалла кварца, на две противоположные грани которой
методом металлизации нанесены электроды (на рис. 7.51 представлены эквивалентная
схема и характеристика кварцевого резонатора). Если к электродам резонатора
подведено переменное напряжение, частота которого совпа
дает с одной из соб- а ственных частот кварцевого резонатора, имеет место явление резонанса. Частота колебаний резонатора зависит от его геометрических размеров и угла среза. Кварц имеет очень большую индуктивность, которая гораздо больше ёмкости и активного сопротивления. Отсюда очень
высокая добротность, порядка нескольких тысяч (обычные контуры типа LC
имеют добротность порядка нескольких десятков, до 200). Поэтому кварцевые
генераторы имеют очень высокую стабильность частоты (10-5). Частота колебаний
автогенератора зависит от добротности контура (см. рис. 7.38). Чем выше
добротность контура Q, тем выше стабильность частоты колебаний.
Кварцевые генераторы применяются в эталонах частоты, в эталонах времени, в радиостанциях для беспоисковой связи (железнодорожные станции и армейские).
На практике чаще всего используют так
называемые осциллятор- ные схемы, в которых кварцевый резонатор включается в
качестве индуктивности (рис.7.52). Возможно его включение между базой и
эмиттером, базой и коллектором и эмиттером и коллектором. Условие баланса фаз
выполняется только на одной частоте и лишь в том случае, когда имеются
колебания кварцевой пластины. На рис пример схемы кварцевого генератора. Кварц
имеет две резонансные частоты: последовательного и параллельного резонансов.
 |
|||
 |
|||
На рис. схемы кварцевых генераторов. В них кварцевый резонатор включён между базой и эмиттером (рис 7.53, а) или затвором и истоком (рис 7.53, б). Схемы по своей структуре соответствуют двухконтурной схеме генератора, в которых возбуждение колебаний возможно лишь при индуктивном характере сопротивлений кварца и коллекторного (стокового) контура. Недостаток данных схем — невозможность плавной настройки.
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.
Усиление. Работа усилительного элемента с нагрузкой. Типы усилителей.
Усиление сигналов с помощью усилительного элемента.
В усилительных устройствах получили широкое применение усилительные приборы двух типов: электронные лампы и полупроводниковые транзисторы.Каждый из этих типов усилительных приборов имеет свои достоинства и недостатки.
Каждый усилительный прибор для переменного тока ( т.е. для усиливаемого сигнала) представляет собой трехполюсник, имеющий три электрода: входной (управляющий, к которому подключен источник сигнала) выходной ( в цепь которого включена полезная нагрузка), и общий электрод, соединенный с общим проводом и обычный заземленный.
Наиболее распространенный способ включения
усилительного элемента в схему – с ОЭ;
ОИ; ОК.
Рабочая точка транзистора с p-n-p структурой выбирается при отрицательном напряжении на базе относительно эмиттера. Чтобы не иметь отдельного источника питания для подачи на базу нужного постоянного напряжения, используется делитель R1-R2, питающиеся от общего источника Ек. Конденсатор Ср служит для итого, чтобы источник входного сигнала не закорачивал по постоянному току базу и эмиттер.
В усилительных каскадах с полевыми транзисторами иногда во входную цепь можно и не подавать смещение, если ток стока при напряжении затвор - исток, равном нулю, имеет нужное значение. Однако, в большинстве случаев приходится подавать во входную цепь смещение. Подаче напряжения смещения осуществляется через резистор Rд с резистора Rн, включенного в провод истока.
В реальных биполярных транзисторах токи Iэ и Iк и их приращения ΔIэ и Δ Iк близки по величине. Напряжение питание коллектора Uк.б» напряжения питания эмиттера Uэ.б.
Это позволяет включать в цепь коллектора нагрузку Rк с большим сопротивлением.
Поскольку незначительные изменения напряжения эмиттерного перехода ΔUэ.n вызывают значительные изменения тока эмиттера ΔIэ, а следовательно, и тока коллектора и ΔIк, то на
сопротивлении Rк можно получить приращение падение напряжения ΔU=RкΔIк большее чем ΔUэ.п. т.е. получить усиление по напряжению и мощности.
Т.О. транзистор является усилительным прибором. Следует помнить, что
напряжение, приложенное к переходам Uэ.п. и Uк.п. отличаются соответственно от напряжений Uэ.б. и Uк.б. на
величину падения на сопротивление rб´ от
протекающего через нее тока Iб.
Объемное сопротивление rб´ - сопротивление базовой области и базового контакта току основных носителей, протекающих через вывод базы. На rб´ возникает паразитная обратная связь между входной и выходной цепью, т.к. Iб= Iэ-Iк.
. Работа усилительного элемента с нагрузкой.
Если в коллекторную цепь транзистора включить нагрузочный резистор Rк, то изменение Iк будут определятся не только изменениями Iб, но и изменениями напряжения Uк.э.
При работе транзистора с нагрузкой напряжения Uк.э. на остается постоянным и всегда меньше Eк. Uк.э.= Eк- Iк Rк.
С ростом Iк увеличивается падение напряжения на Rк.
Ик = Iк Rк, а напряжение на коллекторе уменьшается. Наоборот, уменьшение Iк сопровождается повышением напряжения на коллекторе. Возникающие изменения Uк.э воздействуют на ток Iк противоположно изменения тока Iб: если ток действием Iб ток Iк возрастает, то уменьшается при этом напряжение Uк.э ослабляет рост Iк. Тогда Iк = (Eк-Uкэ)/ Rк=Eк/Rк-Uкэ/Rк
Это выражение является уравнением нагрузочной прямой. На семействе выходных статистических характеристик нагрузочную прямую можно построить по двум точкам. Если Iк=0, то Uк.э = Ек. Отложив на оси абсцисс получим точку А. Этой точке транзистор
заперт положительным напряжением на базе относительно эмиттера. Положим Uк.э = 0, тогда Iк= Eк/ Rк (точка Б). Прямая проведенная через точки А и Б, является нагрузочной прямой.
Нагрузочная прямая определяет зависимость Iк от одновременно изменяющихся тока базы на коллекторе при Eк = const, и Rк= const. Пользуясь ею, в рабочей точке О можно найти все величины, характеризующие режим работы транзистора по постоянному току:
Iоб =Iб1; Uокэ; Iок.
Рабочая точка на нагрузочной прямой задается токам базы которая выполняет функцию аналогичную напряжению сеточного смещения в лампе.
В большинстве случаев сопротивление нагрузки коллектора различны для постоянного и переменного тока. Если активное сопротивление нагрузки для переменного тока Rк´ > Rк , то нагрузочная прямая для переменного тока проходит через ту же рабочую точку О. Нагрузочную прямую для переменного тока строят так точка D – Iок Rк´
Входная характеристика транзистора с нагрузкой в схеме с ОЭ связывает входное напряжение Uб с входным токам Iб при Eк=const и Rк=const. Точки пересечения нагрузочной прямой статическими выходными характеристиками дает значения тока Iб и Uкэi. Перенося значения Iбi на семейство входных статистических характеристик и соединяя эти точки плавной кривой, можно получить входную характеристику транзистора с нагрузкой. Обычно статистическая характеристика снятая при Uкэ ≠0, и входная характеристика с нагрузкой практически сливается с ней.
Нагрузочные линии и постоянного и переменного тока являются выходными динамическими характеристиками. По динамическим характеристиками производят расчет усилительного каскада.
Точка пересечения нагрузочной прямой постоянного тока со статической выходной характеристикой для заданного тока
характеризует режим работы усилительного элемента. При отсутствии сигнала и называется точкой покоя (точка О). Координаты этой точки определяют ток покоя I0к выходной цепи и напряжения покоя U0кэ между выходными электродами усилительного элемента. Они связанны между собой уравнением нагрузочной прямой постоянного тока:
U0=E – I0R.
Нагрузочная прямая постоянного тока и нагрузочная прямая переменного тока пересекаются в точке покоя, так как в момент прохождения сигнала через О рабочая точка усилительного элемента находится в точке покоя. При расчете усилительных каскадов работающих при большой амплитуде сигнала всегда используют нагрузочные прямые переменного тока.
. Структурная схема электронных усилителей.
В усилительной технике используют различные виды схем: электрические структурные, принципиальные, соединений (монтажные схемы)и эквивалентные.
Для наглядного изображения устройства усилителя пользуются схемой электрической структурной.
Входное устройство служит для передачи сигнала от источника во входную цепь первого усилительного элемента. Входное устройство в виде обычного трансформатора применяют для согласования выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления первого усилительного элемента, что позволяет также получить наибольшее сопротивление сигнала на входе усилителя. Входное устройство используют для предотвращения прохождения постоянной составляющей тока или напряжения смещения первого усилительного элемента в источник сигнала и попадания постоянной составляющей от источника на вход усилительного элемента в источник сигнала на вход усилительного элемента.
Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов предварительного усиления напряжения, тока или мощности сигнала до величины, необходимой для подачи вход мощного
усилителя.
Основное требование, предъявляемое к каждому каскаду предварительного
усиления, заключается в получении возможно большего усиления напряжения, тока
или мощности сигнала, т.к. при этом число каскадов будет наименьшим, а
усилитель – наиболее простым и дешевым.Мощный
усилитель предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала.
Он может состоять из одного или нескольких каскадов. Основное требование,
предъявляемое к каскадам мощного усиления, заключается в отдаче заданной
мощности.
Выходное устройство служит для передачи усилительного сигнала из выходной цепь последнего усилительного элемента в нагрузку и применяется тогда, когда непосредственное включение нагрузки в выходной цепи не возможно. Выходное устройство в виде выходного трансформатора используют для создания последнему транзистору или лампе усилительного или лампе наивыгоднейшего сопротивления нагрузки или при необходимости согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки. Для разделения постоянных составляющих тока и напряжения выход цепи и нагрузки используют упрощенное выходное устройство, состоящие из разделительного конденсатора и регистра.
На схеме
электрической принципиальной показаны все электрические детали, входящие в
усилитель, и электрические соединения между ними.
При сборках и ремонте усилителей используется схема электрических соединений (монтажная) схема, на которой в масштабе показано расположение деталей усилителя и всех монтажных соединительных проводников между ними.Для анализа и расчета усилительных каскадов используют эквивалентные схемы, в которых усилительные элементы заменены генераторами переменного тока (или напряжения) и сопротивлениями (активными).
Классификация усилителей
Усилители классифицируют по различным признакам:
· Характеру усиливаемых сигналов,
· Полосе усиливаемых частот,
· Назначению усилителя
· Роду используемых усилительных элементов.
По характеру усиливаемых сигналов все усилители можно подразделить на две группы.
Усилители гармонических сигналов для усиления гармонических и квазегармонических (почти гармонических) сигналов различной величины и формы. Это микрофонные трансляционные и магнитофонные усилители, усилители воспроизведения грамзаписи, звукового кино, и д.р.
Усилители импульсных сигналов для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов различной величины и формы. Это усилители импульсных систем связи, усилители сигналов телевизионного изображения ЭВМ и д.р.
По ширине полосы ( диапазону) и абсолютному значению усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие:
· Усилители постоянного тока – для усиления электрических колебаний в полосе частот от ƒн → 0 до ƒв. Эти усилители усиливают как переменные составляющие сигнала так и его постоянную составляющую.
· Усилители переменного тока – усиливающие лишь переменные составляющие сигнала в полосе частот
от ƒн доƒв.
· Усилители высокой частоты- для усиления эл. колебаний модулированной высокой частоты.
· Усилители промежуточной частоты, усиливающие эл.
сигналы модулированной промежуточной (преобразовательной) частоты (ƒв/ ƒн < 1,1)
· усилители низкой частоты- для усиления не преобразованных (первичных) эл. колебаний. К усилителям низкой частоты относятся усилители звуковой частоты, усиливающие эл. колебания в полосе частот, воспринимаемых человеческим ухом.
· Широкополосные усилители усиливают очень широкую полосу частот и имеют очень большое отношение ƒв/ ƒн.
· Избирательные, или селективные, усилители, усиливают сигналы в очень узкой полосе частот, усиление которых резко падает за пределами этой полосы.
По назначению усилители подразделяют на магнитофонные, телевизионные, радиолокационные, измерительные, трансляционные, дальней связи и т.д.
В зависимости от используемых усилительных Эл-то усилители делятся на транзисторные, ламповые, магнитные, диодные каникулярные и т.д.
Технические показатели усилителей.
Данные, характеризующие свойства усилителя и вносимые им искажения, называют показателями, основными из которых являются: выходные и входные данные, коэффициент усиления, к.п.д., частотная фазовая и переходные характеристики, уровень собственных помех, не линейность, стабильность и надежность.
К выходным данным усилителя относятся: расчетная (заданная техническими требованиями) выходная мощность сигнала Pн, отдаваемая усилителем в нагрузку; выходное напряжение сигнала Uн на нагрузке или выходной ток сигнала Iн в нагрузке, отдаваемые усилителем при работе на расчетное сопротивление нагрузки Zн; выходное сопротивление усилителя Zвых, характеризующие напряжение изменения сигнала на выходе при изменении сопротивление нагрузки.
Нагрузка усилителя зависит от назначения усилителя. Например, нагрузкой микрофонных усилителей служит линия связи или входная цепь мощного усилителя;
усилителя дельней связи – линия или электрофильтры;
усилителя звуковой частоты – электродинамический громкоговоритель.
По характеру нагрузка может быть активной в рабочей полосе частот (линия, коаксиальный кабель, эл. фильтр и т.д.), а также ёмкостной или индуктивной. К ёмкостной нагрузки усилителей, т.е. нагрузки, имеющей и активную и емкостную составляющие относятся : модулятор кинескопа, отклоняющие пластины электроннолучевой трубке. и т.д. К индуктивной нагрузки можно отнести электродинамический громкоговоритель, телефонную трубку, электромотор и т.д.Uн = IнRн; Pн = UнIн = Iн2Rн = Uн2/Rн
К входным данным усилителя относятся входное напряжение Uвх; входной ток Iвх, входная мощность сигнала Рвх при которых усилитель
отдает в нагрузку заданную мощность, ток или напряжение, а также
входное сопротивление усилителя Zвх. В рабочей полосе частот можно считать Zвх = Rвх.
Uвх = RвхIвх; Rвх = Uвх/Iвх ; Pвх = UвхIвх
Обычно усилитель рассчитывают на работу от определенного источника сигнала, характеризуемого электродвижущие силы Еист. и внутренним сопротивлением Zист. (или Rист.).
Коэффициентом напряжения или просто коэффициентом
усиления К называют отношения
установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению
сигнала на его входе:
При расчете
усилителей используют сквозной коэффициент усиления напряжения 
, равный отношению напряжения сигнала на нагрузки усилителя к
ЭДС источника сигнала Еист.
В усилительной технике используют понятие коэффициента усиления тока Кт , представляющее собой отношение установившегося значения тока сигнала в нагрузке к току сигнала на входе, и коэффициента усиления мощности, равного отношению мощности сигнала в нагрузке к входной мощности.
Коэффициенты усиления напряжения и тока являются комплексными величинами, т.к. Iвых. и Uвых сдвинуты по фазе относительно Uвх Iвх. Из-за реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и нагрузки. Вычисленные по
формуле коэффициенты усилителя представляют собой отвлеченные числа, на практике же абсолютную величину коэффициента усиления выражают в логарифмических единицах (Дб).
К(дб)=20 lgК; Кт(дб) = 20lgКт; Км(дб)= 10lgКм
К=100,05К(дб); Кт=100,05Кт(дб); Км=100,01Км(дб)
Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления по напряжению (тока или мощности) равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:
К= К1∙К2∙К3∙ ….Кn
Коэффициентом полезного действия выходной цепи усилительного элемента η представляет собой отношение мощности сигнала P~ ,отдаваемой выходной цепью, к потребляемой его мощности P0 от источника питания выходной цепи
η = P~/ P0
к.п.д. входной цепи усилительного элемента является важными показателями экономичности работы каскада и используются для оценки свойств различных режимов работы усилительных элементов. Для оценки экономичности работы мощных усилителей используют коэффициенты полезного действия усилителя ηус.равной отношению отдаваемой усилителем в нагрузку мощности сигнала Рн в суммарной мощности ∑Р, потребляемой им от всех источников питания:
ηус= Pн/∑ P
Амплитудно-частотные и фазо - частотные характеристики.
При усилении сигнала усилитель несколько изменяет их форму; отклонения формы выходного сигнала от формы входного называют искажениями. Искажения формы выходного сигнала, вызываемые не одинаковым усилением различных частот, называют частотными искажениями; Искажения формы выходного сигнала, вызываемые фазовыми сдвигами, вносимыми усилителем, называют фазовыми искажениями. И те и другие искажения возникают из-за наличия в схеме усилителя реактивных сопротивлений, величина которого зависит от частоты. Частотные и фазовые искажения еще называют линейными искажениями т.к. их возникновения связанны с линейными элементами электрической цепи.
Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по его частотной характеристике, представляющие собой зависимость модуля коэффициента усиления от частоты.
Необходимость использования логарифмического масштаба вызвана широким диапазоном рабочих частот современных усилителей.
Диапазон рабочих частот усилителя называет полосу частот от низшей рабочей частоты ƒн до высшей рабочей частоты ƒв, в пределах которой абсолютная величина (модуль) коэффициента усиления, а иногда и его фаза не должны выходить за пределы заданных допусков.
Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают не равномерностью его частотной характеристики в диапазоне рабочих частот. Идеальная частотная характеристика усилителя, которая не вносит частотных искажений, является прямая параллельная горизонтальной оси.
Частотные искажения, вносимые усилителем на какой-либо частоте, оценивают с помощью относительного усиления Y, равного отношению коэффициента усиления на рассматриваемой частоте к коэффициенту усиления в области средних частот
Y= Κ/ Κср.
Часто используют обратную величину, называемую коэффициентом частотных искажений М;
М = 1/Y - Κ/ Κср.
Чем больше М и Y отличаются от единицы тем больше вносимые усилителем частотны е искажения. Влияние частотных искажений на качество звука сказывается так:
Не достаточное усиление или «срезание» нижних частот приводит к ослаблению басовых нот и тембр звука приобретает металлический оттенок. Не достаточное усиление верхних частот ведет к исчезновению звонкости и передача принимает «басящий» характер. Допускаемая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя. В усилителях звуковой частоты допускают частотные искажения порядка ± (2-4)Дб, почти не заметные на слух.
Фазовые искажения вносимые усилителем, оценивают по его фазовой характеристики, представляющий собой график зависимости угла сдвига фазы I между φвх. и φвых. усилителя от частоты.
Использование линейного масштаба, необходимого для правильной оценки фазовых искажений, вынуждает строить фазовую характеристику отдельно для области НЧ и области ВЧ.
Рисунок в поясняет физическую сущность возникновения фазовых искажений. Здесь Uвх. и Uвых равны сумме двух составляющих, имеющих частоту ƒ (кривая 1) и 2ƒ (кривая2). Если при прохождении в усилитель фаза второй гармоники изменяется на четверть периода по отношению к составляющей основной частоты, то форма Uвых так же изменяется.
Если коэффициент усиления усилителя для всех гармонических составляющих одинаков и все гармонические составляющие cложного сигнала сдвигаются усилителем на одно и тоже время, то форма выходного сигнала не отличается от входного. Фазовые и частотные искажения отсутствуют. Следовательно, условием не искаженного усиления сигнала является пропорциональность фазового сдвига, вносимого усилителем, частоте усиливаемого сигналя, а поэтому идеальной фазовой характеристикой явл. прямая проходящая под любым углом, через начало координат. Поэтому вносимые усилителем фазовые искажения на ВЧ оценивают не по абсолютному значению угла сдвига фазы, ƒ а по разности ординат фазовой характеристике и касательной к ней, проведенной через начало координат. В области ВЧ фазовые искажения ƒ << φ.
В области нижних частот идеальная фазовая характеристика почти совпадает с осью абсцисс и фазовые искажения ƒ здесь практически равны углу сдвига фазы ƒ, вносимого усилителем.
Сдвиг фазы гармонических составляющих сигнала на слух не осушаются. Поэтому в усилителях звуковых сигналов их не ограничивают.
Обратная связь
Обратной связью называют связь между цепями усилителя, посредством которой усиливаемый сигнал передается в направлении обратном нормальному, т.е. не из предыдущих каскадов в последующие, а, наоборот, от конца усилителя к его началу.
ОС может появляться в усилителе по 3-м принципам:
1. Из-за физических свойств и устройства усилительных элементов (внутренняя)
2. Из-за введения в схему специальных цепей (внешняя)
3. Вследствие паразитных емкостных, индуктивных и других связей, содержащих пути для обратной передачи сигнала (паразитная)
Все виды ОС могут сильно изменить свойства усилителя. Внутренняя и паразитная ОС неуправляема и может ухудшить свойства усилителя (самовозбуждение). Внешняя же ОС управляема и ее вводят для улучшения свойств усилителя.
Замкнутый контур, образуемый цепью ОС и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называют петлей обратной связи. Связь, охватывающую один каскад усилителя, называют местной обратной связью.
Цепь ОС можно присоединить к выходу и входу схемы разными способами.
Если цепь ОС присоединить к выходу схемы параллельно
нагрузке, то 
св. будет
пропорционально н.
Если цепь ОС
присоединить к выходу схемы параллельно схемы последовательно с нагрузкой, то
напряжение ОС будет пропорционально току в нагрузке.
Это – ОС по току.
Если в схеме осуществлена комбинация обоих способов,
связь называют комбинированный по выходу или смешанной по входу ОС.
К входу схемы цепь ОС такой же можно подключить тремя
способами: последовательно с источником сигнала – это последовательно
ОС.
параллельно источнику сигнала – параллельная ОС.
Смешанным способом – комбинированная по входу или смешанная по входу ОС.
Обратную связь называют положительной, если её напряжение находится точно в фазе ЭДС источника сигнала, складывается с ней, увеличивая таким образом напряжение сигнала на входе. Если же напряжение ОС находится точно противофазе с ЭДС источника сигнала на входе, обратную связь называют отрицательной. При сдвиге Фаз между напряжением ОС и ЭДС источника сигнала, отличается от 00 и от 1800, ОС называют комплексной.
Если отношение напряжения на выходе цепи ОС к напряжению на её входе от частоты не зависит (цепь ОС не содержит индуктивностей и ёмкостей), ОС называют частотно –независимой; если же указанное отношение напряжений от частоты зависит, связь называют частотно – зависимой.
Межкаскадные связи.
Схемы межкаскадной связи служат для передачи сигнала от одного каскада, многокаскадного усилителя к другому, от источника сигнала на вход первого усилительного элемента и от выходной цепи последнего усилительного элемента в нагрузку. Существуют четыре вида основных схем межкаскадной связи: гальваническая, резисторная, трансформаторная и дроссельная. Схема межкаскадной связи определяет название усилительного каскада.
Каскады с гальванической связью.
Наиболее употребительными видами гальванической связи является непосредственная и потенциометрическая.
В каскадах с непосредственной связью (рис. а) выходной электрод предыдущего каскада соединяется с выходным электродом последующего каскада непосредственно; резистор R служит для выделения напряжения усилительного сигнала. Через деления напряжения усилительного сигнала. Через этот же резистор подаются питающие напряжения на входной электрод Т1 смещение во входную цепь Т2.
В каскаде с потенциометрической связью (рис. б) усилительный сигнал передается на следующий каскад через потенциометр (делитель напряжения) из резисторов Rn и Rc, а питание выходной цепи Т1и смещение во входной цепи Т2 подаются через резисторы R и Rc.
Достоинства: -усиление не только переменной, но и постоянной составляющей тока и напряжения.
Недостатки: - сложность обеспечения нормального режима работы усилительных элементов с одним источником питания (схема а)
- необходимость в дополнительном источнике питания и пониженное усиление (схема б)
Резисторные каскады.
Резисторные каскады можно выполнить на биполярных и полевых транзисторах или эл. лампах.
Здесь используется
резисторно - емкостная схема межкаскадной связи; резистор R
служит для выделения напряжения усилительного сигнала и подачи на выходной
электрод питающего напряжения.
Разделительный конденсатор С преграждает путь постоянной составляющей напряжения из входной цепи во входную цепь следующего каскада.
Достоинства:
-хорошая частотно-фазовая и переходная характеристики;
-малые габариты и стоимость;
-малое потребление питания;
-нечувствительность к внешним, магнитным полям;
Недостатки: - очень низкий к.п.д.;
- коэффициент усиления <, чем у трансформатора и дроссельного каскадов.
Вследствие простоты, дешевизны и хороших характеристик резисторные каскады являются наиболее употребительным типом каскада предварительного усиления.
Трансформаторные каскады.
В этих каскадах для межкаскадной связи используются трансформатор, первичная обмотка которая включена в выходную цепь
усилительного элемента, а к вторичной подключается входная цепь следующего усилительного элемента или нагрузка.
Напряжение питания на выходной электрод подается через первичную обмотку, напряжение смещения на входную цепь следующего каскада – через его вторичную обмотку. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, сдает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на вход следующего каскада.
При последовательной
подачи смещения, (рис. а) нижний
вывод вторичной обмотки соединяют с общим проводом через блокировочный
конденсатор Сбл, достаточной емкости, шунтирующий цепь смещения для частот
сигнала.
При параллельной подачи смещения (рис. б) в провод базы включают разделительный конденсатор С, т.б. без него смещение «закоратиться» вторичной обмоткой транзистора.
Достоинства: коэффициент усиления в 2-10 раз больше чем у резистора
Недостатки: - конструктивная сложность;
- плохие частотные характеристики;
- чувствительность к наводка.
Однако применение трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации позволяет создать для усилительного элемента наивысшую нагрузку и получать на ней наибольшее, возможное напряжение и мощность сигнала при хорошем к.п.д.
Способы включения усилительных элементов по переменному току.
Транзистор с общим эмиттером.
При включении с ОЭ транзистор усиливает и ток, и направление
сигнала и уменьшает полярность усиливаемого сигнала. При подаче на базу
отрицательного относительно базового провода потенциала сигнала Iδ увеличивается и растёт Ik, а значит, ток сигнала в выходной цепи течёт в том же
направлении, что и ток питания. Iвыход., проходя через нагрузку Zн в
указанном направлении, создаёт на выходном проводе относительно общего провода
положительный потенциал.
Транзистор с ОЭ: изменяет полярность усиливаемых сигналов на обратную;
Сопротивление эмиттерного перехода rэ создаёт внутреннюю последовательную ООС по току;
Эта ОС увеличивает Rвх и Rвых транзистора.
Транзистор с общей базой.
Т.к. переменная составляющая Ik < переменной составляющей Iэ, при включении с ОБ транзистор не усиливает ток, а усиливает лишь направление сигнала.
При включении с ОБ транзистор не меняет полярности усиливаемых сигналов;
Сопротивление базы rδ создаёт внутреннюю последовательную ПОС по току, уменьшающую Rвх и Rвых транзистора.
Транзистор с общим коллектором.
При включении с ОК транзистор не меняет полярность
усиливая сигнал, а усиливает лишь ток, не усиливая направления. Транзистор с ОК
можно рассматривать как включённый с ОЭ, у которого всё выходное направление
сигнала Uвых введено
последовательно во входную цепь и, складываясь с направлением Uоб,
образует входное направление Uвх. Следовательно, транзистор с ОК можно рассматривать
как транзистор с ОЭ и стопроцентной (полной) последовательной ООС по
направлению, которая ↓ коэффициент усиления направления, kT, ↑ Rвх транзистора и ↓ Rвых.
Составные транзисторы.
Некоторые свойства биполярного транзистора
(коэффициент передачи тока) можно улучшить, соединив определённым образом два
или больше транзисторов. В результате такого соединения получается как бы один
транзистор с тремя внешними электродами – Б, э, k, который, как и обычный транзистор, можно включать с
ОБ, ОЭ, ОК. Свойства такой схемы, называемой составным транзистором, отличаются
от свойств транзисторов, из которых она составлена.
Статический коэффициент передачи тока составного транзистора h21c=h21 1 * h21 2
Составной транзистор даёт больший эффект при включении его с ОК и ОЭ. Rвх составного транзистора с ОЭ и ОК на низких частотах >>, чем у использованных в схеме транзисторов.
Повторители. Такая последовательная ООС по направлению, имеющаяся в биполярном транзисторе с ОК, полевом транзисторе с ОС, лампе с ОА повышают Rвх, уменьшают Свых, Rвых и kТ. При этом способе включения усиливается лишь ток и не усиливается направление сигнала.Т.к. каскад с общим коллектором, стоком и анодом не мешает полярность подаваемого на него сигнала и имеет коэффициент усиления напряжения, близкий к 1, выходной сигнал почти не отличается от входного ни по фазе, ни по амплитуде; поэтому такие каскады называют эмиттерным, истоковым и катодным повторителями.
В следствии высокого Rвх и малой
Свх повторители используют как входные каскады в усилителях с
высоким входным сопротивлением. Из-за низкого Rвых
повторители применяются в качестве выходных каскадов при работе усилителя на
нагрузку с очень малым сопротивлением или на большую ёмкость.
Т.к. прохождение постоянной составляющей тока через нагрузку RН обычно не желательно, её включают через разделительный конденсатор С; постоянная составляющая тока питания при этом проходит через резистор R, который также управляет подачей выходного сопротивления повторителя к заданной величине. В эмиттерном повторителе подающее на R напряжение питание используют для эмиттерной стабилизации рабочей точки. Коэффициент усиления напряжения повторителей из-за имеющихся в них ООС < 1.
Каскадная схема.
В транзисторных усилителях высокой и промежуточной частоты, широкополосных выходных каскадах, работающих на высокоомную нагрузку, и во входных каскадах ламповых усилителей с низким уровнем шумов используют каскадные схемы. Первый усилительный элемент Т1 на который подаётся выходной сигнал включён с ОЭ. Второй усилительный элемент Т2, с которого снимается усилительный сигнал, включён с ОБ. Для этого база Т2 соединена с общим проводом через конденсатор С большой ёмкости.
Благодаря тому, что в транзисторной каскадной схеме ОС
выходной цепи с выходной получается в сотни раз меньше, чем у обычного
транзисторного каскада с ОЭ, её выходное сопротивление практически не зависит
от сопротивления нагрузки. По этой причине каскадная схема применяется в
усилителях высокой и промежуточной частоты транзисторных радиоприёмных
устройств, где она практически устраняет влияние выходного контура на входной.
Кроме того, эта схема расширяет полосу пропускания каскада.
Выходные каскады усилителей
1.Двухтактные трансформаторные каскады.
Двухтактные каскады сложнее однотактных и содержат больше деталей, но имеют много достоинств, которые объясняют широкое их применение в современных усилителях.
Рассмотрим наиболее важные достоинства двухтактных схем.
Компенсация четных гармоник, вносимых усилить элементами, позволяет использовать в двухтактной схеме более экономичный режим В.
Компенсация помех и фона, поступающих на каскад от
источника питания и др. источников.
Компенсация постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора позволяет повысить переменную составляющую магнитной индукции в сердечнике, а следовательно, уменьшить габаритные размеры, массу трансформатора.
Компенсация токов сигнала в проводах питания уменьшают паразитные межкаскадные связи через источники питания. В самом каскаде это позволяет исключить блокировочные конденсаторы цепей питания, смещения и стабилизации (Ск,Сэ и др.).
Это не только устраняет вносимые этими цепями частотные фазовые и переходные искажения, но и упрощает, и удешевляет усилитель.
Ввиду того, что токиIо, как видно из схемы, в первичных обмотках направлены встречно и одинаковы, создаваемые ими равные магнитные потоки также направлены встречно и компенсируются, вследствие чего сердечник освобождается от постоянного подмагничивания. Также направлены встречно токи помех и пульсаций от источника питания, создаваемые этими токами магнитные потоки компенсируются и не наводят ЭДС во вторичной обмотке.
Подводимые к входным цепям двухтактной схемы напряжения сигнала Uвх1 и Uвх2 имеют противоположную полярность. Вследствие этого направленные в противоположные стороны токи сигнала выходных цепей I~, протекая через первичные обмотки трансформатора в одинаковом направлении создают в сердечнике складывающееся магнитные потоки0 наводящие ЭДС сигнала на вторичной обмотке.
Указанные свойства двухтактных схем относятся к каскадам с параллельным управлением, т.е. к каскадам, в которых входные сигналы подаются на оба плеча схемы от одного и того же внешнего источника, управляющего сразу обоими печами схемы. Для стабилизации точек транзисторов в режиме А используют эмиттерную стабилизацию с индивидуальными делителями подачи смещения. При включении резистора эмиттерной стабилизации в общий провод каскада конденсатор Сэ не требуется. Для уменьшения разбалансировки печей семы при нагреве транзисторов и их старении в провод эмиттера каждого транзистора ставят резисторы R`э
R`э = (0,5 ¸ 1) Rэо
Для выравнивания коллекторных токов плеч один из резисторов R`э и Rд1 делают регулируемым.
Расчет двухтактного каскада вследствие симметрии плеч ведут для одного плеча на половину заданной мощности. Но мощность Р~, которую должен отдавать УЭ
Р~ = Рн/ 2hт, т.е. она равна половине мощности, отдаваемой каскадом.
В режиме В плечи двухтактного каскада работают поочередно, каждое в течении полупериода сигнала. Следовательно, расчет каскада можно вести для половины периода сигнала по характеристикам УЭ одного плеча схемы, получая при этом данные, относящиеся ко всему каскаду за период сигнала.
Из рис. видно, сто при трансформаторе без потерь (R==0) и точке покоя, расположенной в точке Uо на горизонтальной оси, УЭ в режиме В полностью
используется при сопротивлении нагрузки выходной цепи плеча переменному току:
R~n = U`выхm /I`max = x Uo/ I`max
x = I`2max / Uo
Мощность сигнала, отдаваемая работающим плечом за полупериод, а следовательно, и всем каскадом за период
P~max = 0,5 I`2max R~n = 0,5 I`max U`выхm
Подводимая мощность питания
Ро = 2/p I`max Uo
Max к.п.д. трансформаторного каскада в режиме В:
hвmax = P~max/Po = p/4x = 0,785x;
Это превышает более чем в 1,5 раза к.п.д. такого же каскада в режиме А
Эмиттерную стабилизацию в транзисторных каскадах, работающих в режиме В, использовать нельзя, т.к. положение точки покоя обеспечивает величину нелинейных искажений и потребление энергии питания. Поэтому, смещение в цепь Э-Б следует подавать от достаточно низкого делителя.
Выделенная на выходном электродеУЭ мощность равна
Р = Ро – Р~
На рассеивание мощности Ро должен быть рассчитан радиатор транзистора, или анод лампы. Выделяющаяся в УЭ во время его работы эл.энергия преобразуется в тепловую и нагревает УЭ. Перегрев может вывести из строя транзистор. Наиболее сильно нагревающее место – его коллекторный переход. Всегда следует при расчете учитывать , что температура коллекторного перехода не должна превышать Тn max их справочника.
У маломощных транзисторов тепло от коллектора передается корпусу и охлаждается конвенцией; у мощных транзисторов поверхность корпуса для этой цели недостаточна и корпус охлаждают с помощью специального радиатора. Поверхностью считают его площадь с обеих сторон, включая поверхность ребер. Для уменьшения размеров радиаторов их делают ребристыми. Наиболее подходящий материал, обладающий хорошей теплопроводностью – это алюминий и его сплавы.
Прад » 1400Р / (Тnomax –Tmax – PRт.n.к.)
Тnomax – max температура коллекторного перехода
Тmax - max температура окружающей среды
Rт.n.к – тепловое сопротивление между коллекторным переходом и корпусом трансформатора.
Двухтактные бестрансформаторные выходные каскады
Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь УЭ - тов без выходного трансформатора позволяет устранить вносимые последним частотные, фазовые и нелинейные искажения, уменьшить габаритные размеры, массу каскада, повысить его КПД и избавиться от нелинейных искажений, вызываемых отсечкой тока в режиме В.
Рассмотрим бестрансформаторный двухтактный каскад с
несимметричным входом.
Каскады такого типа требуют подачи на вход двух равных напряжений сигнала противоположной полярности, которые подаются от инверсного каскада. Питание коллекторных цепей производится от 2-х одинаковых источников питания, соединенных последовательно или от одного источника со средней точкой. При одинаковых плечах схемы постоянная составляющая тока через нагрузку Rн, включенную в средний провод
Не проходит, т.к. среднее значение токов питания Iср1 и Iср2 одинаковы, но текут в противоположных направлениях и взаимно уничтожаются. Переменные составляющие I~1 и I~2 протекают через нагрузку в одном направлении и складываются.
В этой схеме напряжение питание и режим работы выбирают т.о., чтобы сопротивление нагрузки Rи обеспечивало полное использование УЭ как по току, так и по напряжению.
Рассмотренный бестрансформаторный двухтактный каскад можно упростить, если использовать в нем транзисторы с одинаковыми параметрами и характеристиками, но с противоположным характером проводимости. Такой каскад не нуждается в инверсном каскаде, т.к. выходные цепи его плечей можно объединить.
При подаче одного и того же напряжения сигнала на
управляющие электроды плеч в одном плече будет расти, а в другом падать и схема
будет работать как двухтактная. Схема такого типа представляет собой двухтактный каскад с несимметричным входом
и выходом. Иногда их называют двухтактными каскадами с дополнительной
симметрией.
Каскады с дополнительной симметрией при работе как в режиме А, так и в режиме В позволяют использовать в качестве предыдущего каскада не инверсный, а обычный однотактный резисторный каскад даже без разделительного конденсатора С:
В этой схеме напряжение смещения входных цепей
транзисторов Т2 и Т3, необходимое для уменьшения нелинейных искажений слабых
сигналов при работе каскада в режиме В, снимаются с температурно – зависимого резистора Rс шунтированного конденсатором Сш для устранения
падения на нем напряжения сигнала; Rс и Сш
можно заменить подходящим диодом Д, включенным в проводящем направлении.
Резистор Rд1 является резистором
коллекторной стабилизации, т.к. использование эмиттерной стабилизации здесь
нежелательно из-за снижения и без того недостаточного напряжения питания
резисторного каскада с транзистором Т1.
Бестрансформаторные каскады с большой выходной мощностью требуют большой ток входного сигнала, и при такой схеме, в которой транзистор предыдущего каскада Т1 должен работать в режиме А, этот транзистор потребляет значительную мощность от источника питания, что заметно увеличивает расход энергии на питание устройства.
Для уменьшения входного тока сигнала и потребляемой предыдущем каскадом мощности питания транзисторы бестрансформаторного каскада делают составными.
Широкое применение бестрансформаторных усилителей с большой выходной мощностью и двухтактным выходным каскадом с дополнительной симметрией затрудняется малым выбором пар р-n-р и n-p-n – транзисторов большой мощности. Для устранения этого затруднения бестрансформаторный выходной каскад выполняют так:
Выходной бестрансформаторный каскад собран на транзисторах большой емкости одинаковой проводимости Т4 и Т5, а от необходимости применения инверсного каскада избавляются введением р-n-р и n-p-n транзисторов малой мощности Т2 и Т3, образующих с транзисторами Т4 и Т5 транзисторы и выполняющих роль инверсного каскада. С резисторов Rбэ здесь снимается одинаковые напряжения сигнала противоположной полярности на транзисторы Т4 и Т5, Резисторы Rэ не обязательны, их введение лишь улучшает стабильность работы схемы.
Бестрансформаторный двухтактный каскад МУ, позволяющий обойтись без инверсного каскада, можно осуществить с транзисторами одной проводимости, если сигнал от внешнего источника или предыдущего каскада подать на вход плеча, называемого ведущим, а противоположный по фазе сигнал на вход второго плеча, называемого ведомым, подать с выхода ведущего плеча. Такие каскады называют двухтактными каскадами с последовательным управлением, в отличие от рассмотренных выше двухтактных каскадов с параллельным управлением, в которых сигнал от предыдущего каскада на оба плеча схемы. Рассмотрим такой каскад, работающий в режиме В.
Ведущим плечом здесь является Т1 с ОЭ и работающий в режиме В с
малым током покоя через диод Д на нагрузку Rн в течение первого полупериода сигнала, открывающего
транзистор Т1 и диод. Полярность сигнала в этот полупериод на входе транзистора
и диоде показана на схеме знаками.
Ведомым плечом схемы является составной транзистор Т2-Т3, на вход которого поступает напряжение сигнала с диода Д, находящегося в выходной цепи ведущего плеча. Составной транзистор Т2-Т3 также работает в режиме В и с малым током покоя и почти полностью закрывается во время первого полупериода напряжением сигнала, падающим на диоде.
Во время второго полупериода указанная на схеме полярность сигнала меняется на обратную, транзистор Т1 и диод почти полностью закрывается, а изменившаяся полярность сигнала на диоде открывает составной транзистор, который и работает в течение второго полупериода на нагрузку Rн, Резистор R не является необходимым; его включение позволяет улучшить свойства составного транзистора.
Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель постоянного тока (УПТ) обычно прямого усиления с большим коэффициентом усиления по напряжению. Поэтому на ОУ можно выполнять узлы аппаратуры, показатели которой в основном определяются элементами цепи ОС, вводимой в ОУ.
Дифференциальные усилители
УПТ, выходное напряжение которого пропорционально разности напряжений входных сигналов, называют дифференциальным усилителем (ДУ). На рис упрощенная схема ДУ с симметричными входами и выходами. Она состоит из двух симметричных плеч (VT1 и R1, VT2 и R2) и генератора тока, подключенного к эмиттерам транзисторов. Входным сигналом ивх является разность напряжений на входах Вх1 и Вх2, выходным — разность напряжений на Вых1 и Вых2. Если ивх = 0, через оба транзистора протекают одинаковые токи, напряжения на выходах также одинаковы. Выходное напряжение, представляющее собой разность напряжений Вых1 и Вых2, равно нулю, независимо от коэффициента усиленя схемы
.
Рис. Упрощённая электрическая схема дифференциального усилителя (а) и микросхема дифференциального усилителя К118НД1А - К118НД1В
Если напряжение на входе одного из транзисторов увеличить, то возрастет ток соответствующего транзистора. Симметрия схемы нарушится и появится выходное напряжение, пропорциональное входному. Входы и выходы ДУ на рис. называют дифференциальными (разностными).
Одновременное однополярное изменение напряжения на обоих входах на одинаковое значение называется синфазным. В идеальном ДУ при подаче на его входы синфазного напряжения выходное напряжение равно нулю.
Структурная схема операционного усилителя
УПТ с дифференциальным входом, большим входным и малым выходным сопротивлениями и высоким коэффициентом усиления напряжения называют операционным усилителем (ОУ). Происхождение термина «операционный» связано с возможностью выполнения с помощью таких усилителей аналоговых обработок сигналов, эквивалентных операциям сложения, умножения и др. ОУ используют исключительно с внешней цепью обратной связи, которая и определяет свойства ОУ в каждом конкретном применении (в отличие, например, от ДУ, где свойства схемы определяются ее внутренним устройством). Он является универсальным базовым элементом для построения самых различных функциональных узлов аналоговой аппаратуры.Идеальный ОУ должен иметь:
бесконечно большие коэффициент усиления по напряжению Kv, входное сопротивление Явх и частоту единичного усиления f;нулевое выходное сопротивление.Спад Ки на высоких частотах с ростом частоты не должен быть круче, чем 20 дБ на декаду (т.е. Ки не должен уменьшаться более чем в 10 раз при увеличении частоты в 10 раз). При нулевой разности напряжений на входах идеального ОУ выходное напряжение должно быть равно нулю.ОУ — это аналоговая схема, снабженная, как минимумом, пятью выводами. Её условное графическое изображение приведено на рис. 7.25, а. Два вывода ОУ используются в качестве входных; один вывод выходной, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазных соотношений входного и выходного сигнала один из выходных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а другой (вход 2) — инвертирующим.
Операционный усилитель: а — условное графическое обозначение; б — структурная схема
Выходное напряжение ивых связано с выходными напряжениями UBXi и UBX2 соотношением
Uвых = KU0 (Uвх1 - Uвх2 , 7-35
где Кио — собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Из приведенного напряжения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).
Как отмечено ранее, Кио в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 105.. .106 или 100. ..120 дБ.
В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Еп, -Еп). Средний вывод этого источника, как правило, общая шина для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3...±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжения ОУ.
Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, используемых для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид ЛАЧХ (логарифмическая амплитудно-частотная характеристика) усилителя.Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокаскадного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трёхкаскадных усилителей постоянного тока.
Функциональная схема трехкаскадного ОУ, приведенная на рис. включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показывает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить получение максимально высокого входного усиления сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т.п.
Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов.
Выходной каскад, как правило, выполняемый по двухтактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности.