5.6.Усилители мощности.
В усилителях мощности важное значение имеют коэффициент полезного действия, обеспечение максимальной мощности при существующих транзисторах и подавление высокочастотных гармоник в спектре выходного сигнала в нелинейных режимах работы.
Для уменьшения потерь мощности в коллекторную цепь вместо активного сопротивления ставится трансформатор с нагрузкой во вторичной нагрузке. Тогда в качестве коллекторного сопротивления играет роль сопротивление нагрузки, пересчитанное как квадрат коэффициента трансформации, чем достигается согласование нагрузки с усилителем. На рис. 5.16 (а) приведена схема однотактного каскада усилителя мощности.
Рис.5.16. Усилитель мощности:
(а) однотактный каскад, (б) двухтактный каскад.
КПД однотактного каскада в линейном режиме не может превышать 50 %, так как мощность в колебательном режиме равна половине произведения амплитуд тока и напряжения и не могут превосходить постоянных токов и напряжения источника питания.
На рис. 5.16 (б) приведена схема двухтактного фазоинверсного каскада, где один транзистор работает на одном полупериоде входного напряжения, второй транзистор - на другом полупериоде. Это позволяет сохранить линейность усиления при положениях рабочих точек транзисторов близком к нулю, что повышает КПД до 78.5 %. Каждый транзистор имеет половинную мощность нагрузки. Кроме тог, уровень нелинейных искажений в двухтактном усилителе мощности снижется благодаря компенсации четных гармоник, которые не суммируются, а вычитаются в плечах транзисторов.
5.7. Дифференциальный усилитель.
Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух сигналов и представляет собой балансную симметричную схему (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Схема дифференциального усилителя.
Если схема полностью симметрична, то Uвых=Kp(Uвх2 – Uвх1), где Kp=K1=K2 – коэффициент усиления ДУ, K1 и K2 - коэффициенты усиления усилителей, т.е. пропорциональна разности входных сигналов. Однако реальные транзисторы не могут быть полностью одинаковыми и усилители в дифференциальном каскаде не полностью идентичны. Поэтому выходной сигнал зависит не только от разности, но от суммы входных сигналов. Действительно, пусть K1= K2 + Kс, тогда Uвых= K1Uвх1 – K2Uвх2 = Kp(Uвх2 – Uвх1) + Kс(Uвх2 + Uвх1), где Kp= K1 – Kс/2 = K2 + Kс/2, Kс = K1 – K2 – коэффициент усиления синфазного сигнала.
ДУ характеризуется коэффициентом подавления синфазного сигнала =Kp/ Kс, который должен быть большой (104105), и это не может быть обеспечено только идентичностью транзисторов. Высокие значения достигаются введением в схему большого общего эмиттерного сопротивления RЭ (рис.5.17).
Влияние RЭ на симметрию схемы может быть проанализировано следующим образом. По первому закону Кирхгофа сумма токов в цепях эмиттеров обоих транзисторов равны току через общее сопротивление RЭ (рис.5.17):
(5.18),
то есть для изменений этих токов, обусловленного подачей переменных входных сигналов на оба каскада, можно записать
(5.19).
Если общий ток IЭ меняется слабо, то iЭ1 -iЭ2 и изменения тока одного каскада приведено к противоположному изменению тока другого, т.е. транзисторы работают одновременно, что реализует полную симметрию схемы. В идеале IЭ = 0 при RЭ, т.е. цепь эмиттера разомкнута, но коэффициент усиления обоих каскадов при этом будет равен нулю. Таким образом, увеличение RЭ делает схему ДУ более симметричной, но при этом падает коэффициент усиления.
Часто вместо сопротивления RЭ в схему ДУ включают транзистор с сопротивлением в цепи своего эмиттера и постоянным питанием базы (рис.5.18). Эта замена позволяет при той же допустимой величине постоянного тока получить на 1-2 порядка большое сопротивление по переменному току.
Рис. 5.18. Замена активного сопротивления эмиттера на транзистор с постоянным питанием базы.
В настоящее время ДУ изготавливают в виде общей интегральной микросхемы, что кроме габаритных преимуществ, дает возможность создавать транзисторы по одинаковой технологии, располагая их близко к друг другу, с близкими параметрами.
Операционные усилители.
Операционный усилитель (ОУ) – это унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, как правило, выполненный в виде интегральной схемы. Он успешно применяется, как при решении многих технических задач (усиление и преобразование сигналов, стабилизация напряжения и тока и т.п.), так и при выполнении математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и т.п.). Отсюда и название усилителя – операционный, т.е. решающий. Требование к электрическим характеристикам ОУ связаны в основном с необходимостью обеспечить: высокий коэффициент по напряжению, большое выходное и малое выходное сопротивление, линейность передаточной характеристики, высокую верхнюю частоту пропускания.
Требование у инструктивному исполнению ОУ в основном следующие: наличие двух автономных входов 1 и 2; выполнение одного из входов (1) инвертирующим (в противофазе), а другого (2) неинвертирующим (совпадение по фазе) по отношению к выходному сигналу. Обычно ОУ снабжают большим числом зажимов (до 15), необходимых для подключения дополнительных элементов контроля балансировки, коррекции частотной характеристики и других функций.
Типовая функциональная схема ОУ приведена на рис. 5.19.
Рис. 5.19. Схематическое изображение операционного усилителя:
1 — инвертирующий вход, 2 — неинвертирующий вход, 3, 4 — питание постоянным напряжением, 5 — выход
В общем виде ОУ можно представить состоящим из четырех каскадов: входного дифференциального усилителя, имеющего симметричный вход и обеспечивающего высокую стабильность, малый шум и т.п. ; промежуточного усилителя напряжения с большим коэффициентом усиления; каскада сдвига уровня нуля и выходного эмиттерного повторителя выполненного по двухтактной схеме и обеспечивающего малое выходное сопротивление ОУ.
Можно определить следующие радиотехнические требования к идеальному ОУ:
1. Коэффициент усиления по напряжению бесконечно велик: K®¥.
2. Входное сопротивление велико: Rвх®¥.
3. Выходное сопротивление мало: Rвых®0.
Свойства схем идеального ОУ определяются только внешними по отношению к ОУ элементами. Рассмотрим несколько простейших таких схем.