1.4. Усилительные приборы аэу.

В качестве основных усилительных приборов (УП) в АЭУ наибольшее распространение получили биполярные транзисторы (БТ). Лишь при весьма специфических требованиях оправдано выполнение отдельных усилительных каскадов на полевых транзисторах (ПТ), например оконечных каскадов с очень большой отдаваемой мощьностью (сотни Вт и более) или высоким выходным напряжением (около 100 В и выше), входных каскадов с высоким входным сопротивлением (до 10¹⁰ – 10¹² Ом при применении ПТ с управляющим p-n-переходом и до 10¹⁴ – 10¹⁵ Ом – с изолированным затвором) и низком уровне собственного шума (первые отличаются тем, что позволяют получить высокое входное сопротивление при меньшим уровне шума).

В настоящее время электронной промышленностью освоен ряд линейных (линейно-импульсных) микросхем, которые позволили в АЭУ, содержащих малосигнальные и маломощные усилительные каскады отказаться от применения дискретных компонентов. Промышленный выпуск таких микросхем непрерывно расширяется, поэтому они составляют перспективную элементную базу АЭУ. Применение микросхем позволяет существенно уменьшить размеры АЭУ, повысить надежность, упростить технологию их изготовления и настройку. Если требования, предъявляемые к выходным и входным каскадам, нельзя удовлетворить серийно выпускаемыми микросхемами, последние уместно использовать в промежуточных каскадах в сочетании с мощными выходными и специальными входными каскадами, выполняемыми из дискретных компонентов.

1.5. Принципы построения аэу

Обычно усиление, получаемое от одного активного элемента (транзистора, микросхемы), оказывается недостаточным для нормальной работы АЭУ, и тогда используют более развитый усилитель, состоящий из нескольких активных усилительных элементов и элементов связи. Элементами связи могут быть сопротивления, переходные устройства, цепи питания, цепи стабилизации исходного режима работы. Активный усилительный элемент с относящимися к нему элементами связи называется каскадом.

АЭУ может состоять из нескольких каскадов, каждый из которых выполняет строго определенные функции. В качестве примера на рис. 1.2 представлена типовая структурная схема усилителя, состоящего из четырех каскадов. В этом усилителе входной каскад (ВК), промежуточный каскад (ПК), предоконечный каскад (ПОК) и оконечный каскад (ОК), работающий на нагрузку (Н). Все каскады охвачены петлей отрицательной обратной связи (ООС). Входной сигнал поступает от источника сигналов (ИС).

Рис.1.2. Типовая структурная схема усилителя

В многокаскадных усилителях различают четыре основных типа каскадов (рис…): входной, промежуточные, предоконечный и оконечный.

Специфика входного и оконечного каскадов обуславливается конкретными характеристиками источника сигнала и нагрузки, с которыми непосредственно связаны эти каскады.

В качестве входного каскада (ВК) может требоваться малошумящий усилитель, усилитель с необычным- очень большим или очень малым входным сопротивлением, дифференциальный каскад. Таким образом, выбор схемы и режима входного каскада осуществляется с учетом свойств источника усиливаемого сигнала. В некоторых случаях специфические требования и характеристики усилителя, связанные с особенностями источника сигнала, не удается удовлетворить соответствующим проектированием одного первого каскада и, например, повышенное входное сопротивление или низкий уровень шума должны иметь также второй (реже – третий) каскад, причем он также относится к типу входных.

Аналогично, выбор схемы и режима оконечного каскада (ОК) зависит в первую очередь от нагрузки, на которую работает усилитель: необходимого уровня (мощности, напряжения или тока) сигнала, характера и величины сопротивления нагрузки, наличия зажима, допускающего соединение с общим («заземленным») проводом, и т.д. из-за большой выходной мощности оконечного каскада, применения в нем двухтактной схемы и некоторых других его особенностей предъявляются особенные требования к режиму или схеме предшествующего ему предоконечного каскада (ПК), в качестве которого часто приходится применять усилители мощности, фазоинверторы. В некоторых случаях, при особо большой выходной мощности усилителя, может потребоваться повышенная мощность и третьего (считая от выхода) каскада, причем он также будет относиться к типу предоконечных.

Промежуточными называют каскады, находящиеся между входным и предоконечным, на которые не распространяются специфические требования, зависящие от особенностей источника усиливаемого сигнала и нагрузки усилителя. Эти каскады являются малосигнальными усилителями, часто выполняются по однотипной схеме, причем источником сигнала для каждого из них служит выходная, а нагрузкой – входная цепи аналогичного каскада.

При отсутствии особых требований со стороны источника усиливаемого сигнала входной каскад усилителя может не отличаться от промежуточных. Аналогично при соответствующих условиях могут отсутствовать специальные предоконечные и даже оконечный каскады. Наконец, если общий коэффициент усиления должен быть небольшим, промежуточные каскады могут оказаться ненужными.

Более подробная структурная схема усилителя отражает места установки ручных и автоматических регуляторов (усиления, частотной характеристики и др.), наличие и точки соединения цепей обратной связи, наличие места включения цепей, придающих особый вид частотной характеристике усилителя, переключателей источников усиливаемых сигналов и нагрузок.

Определение структурной схемы усилителя составляет первый этап проектирования всякого УУ, после чего возможен подробный расчет всех каскадов. В то же время правильный выбор структурной схемы, позволяющей получить требуемые характеристики усилителя в целом, опирается на знание типовых характеристик, которыми обладают различного рода усилительные каскады, вариантов их схем и режимов, способов связи между собой и достаточного ассортимента схемных решений таких устройств, как регуляторы, частотные корректоры, включая схемы с ОС. Детализацию и уточнение рациональной структуры часто приходится производить в несколько приемов, перемежающихся с оценочными расчетами конкретных схем отдельных каскадов усиления. Поэтому изложению вопросов проектирования многокаскадных усилителей предшествует рассмотрение вариантов схем, характеристик и техники расчета одиночных каскадов различного назначения и специальных функциональных устройств.

Основное назначение промежуточного каскада (ПК) – как можно большее усиление по напряжению. Этот каскад работают в режиме малого сигнала, т.е. в линейном режиме. К нему также предъявляются требования, обеспечения равномерной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и требуемого по техническому заданию (ТЗ) динамического диапазона.

Предоконечный каскад (ПОК) обеспечивает на своем выходе сигнал как по напряжению, так и по мощности достаточной для возбуждения транзистора оконечного каскада. Иными словами, он должен иметь значительное усиление по напряжению и мощности. Этот каскад работает в режиме достаточно большого сигнала.

Оконечный каскад (ОК) выделяет в нагрузку полезную мощность благодаря оконечному усилению по мощности K_P = n(10…1000). Усилительные элементы этого каскада работают в режиме большого сигнала, т.е. в нелинейном режиме, в связи с чем к оконечному каскаду предъявляются требования по обеспечению требуемых по техническому заданию нелинейных искажений. Вносимые оконечным и отчасти предоконечным каскадами искажения могут быть уменьшены, если усилитель охватить петлей ООС.