Глава 7. Усилители напряжения, тока, мощности в схемах автоматики

1. Общие сведения

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения напряжения, тока или мощности входного сигнала за счет энергии постoроннего источника. Выходная величина при этом является функцией входной и имеет одинаковую с ней физическую природу.

Простейшим усилителем является усилительный каскад, построенный на нелинейном полупроводниковом элементе (транзисторе). Основным параметром усилительного каскада является коэффициент усиления . В зависимости от назначения усилителя (усиление напряжения, тока или мощности) это может быть коэффициент усиления по напряжению, по току или по мощности:

K_U = U_вых / U_вх , K_i = I_вых / I_вх, K _p = P_вых / P_вх = K_U K _i

В зависимости от диапазона частот входных сигналов могут быть усилители постоянного тока, усилители низкой частоты, усилители высокой частоты. Они могут быть импульсными, широкополосными, избирательными. При многокаскадных исполнениях соединение каскадов может быть выполнено с непосредственной связью, резистивной, емкостной или трансформаторной связью.

Рис. 50.

Классификация и амплитудно-частотные характеристики усилителей.

Рис. 51.

Схемы соединения каскадов: а) с непосредственной связью; б) с резистивной связью; в) с емкостной связью; г) с трансформаторной связью.

2. Усилители переменного тока с емкостной связью

Для усиления сигналов переменного тока в схемах автоматики используются усилительные каскады с реактивными разделительными элементами - конденсаторами или трансформаторами. Поскольку питание осуществляется от источников постоянного тока, переменные токи и напряжения входных и выходных сигналов следует рассматривать как переменные составляющие суммарных токов и напряжений, накладывающиеся на постоянные составляющие. При этом амплитудные значения переменных составляющих не должны превышать определенных значений. Иначе возникнут искажения формы сигналов.

Основное распространение в качестве каскадов усиления напряжения получили каскады, в которых транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Полярность коллекторного источника питания определяется типом транзистора. На схеме Рис. 52 использован транзистор р-n-p типа. Главной коллектиорной цепью, определяющей величину выходного напряжения, является цепь E_k - R_k - T - R_э.

Для этой цепи можно записать:

E_k = U_k + I_k R_k + I_э R_э (7.1)

О

Рис.52. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

стальные элементы образуют вспомогательные цепи. КонденсаторыС_р1, С_р2, С_р3 обеспечивают выделение переменной составляющей сигналов в соответствующих цепях. С_р1 , кроме того, исключает протекание тока от источника Е_к через источник входного сигнала и обеспечивает независимость напряжения U_б в режиме покоя от внутреннего сопротивления источника входного сигнала.

Резисторы R1 и R2 используются для задания точки покоя, т.е. такого тока базы, при котором входной сигнал будет проходить через каскад без искажения формы. R1 создает необходимый ток базы покоя I_бп , а R1 и R2 совместно определяют величину U_бп .

Резистор R_э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для температурной стабилизации режима покоя. Необходимость в этом возникает из-за тепловой зависимости I_ко и . Изменение I_кп вследствие изменения I_ко при колебаниях температуры вызовет изменение тока I_эп , что приведет к изменению U_бэп

U_бэп = U_бп - I_эп R_э .

U_бэп при этом уменьшается, что приводит к уменьшению I_бп и I_кп соответственно. Сопротивление R_э достаточно мало и в некоторых случаях не ставится.

Принцип действия каскада можно пояснить с помощью вольт-амперных характеристик. Проведем анализ каскада по постоянному току. На семействе коллекторных характеристик проводится прямая, соответствующая уравнению:

U_к = E_к - I_к ( R_к + R_э ) (7.2)

Предполагаем, что I_к = I_э. Прямая линия строится по двум точкам: U_к = E_к, I_к = 0; U_к = 0, I_к = E_к / (R_к + R_э) . Эту линию называют линией нагрузки. Точки ее пересечения с коллекторными характеристиками дают решение уравнения (7 - 1). По этим точкам можно найти I_к , U_к и U_Rk .

Рис. 53.

Входная и коллекторные характеристики биполярного транзистора.

В качестве входной характеристики принимают усредненную зависимость I_б = f (U_б) (Рис.53,б), которая мало зависит от U_к . Анализ удобно проводить с помощью переходной характеристики I_к = f(I_б), которая строится по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками.

Начальную точку или точку покоя при U_вх = 0 , выбирают на середине линейного участка переходной характеристики. Подача переменного входного сигнала приведет к появлению переменной составляющей тока базы, а следовательно и тока коллектора. При этом очевидно, что

I_{к макс} < (I_кп - I_ко) (7.3)

В этом случае не будет происходить искажения формы входного сигнала.

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки по переменному току. Сопротивление каскада по переменному току равно

(7.4)

что меньше, чем R_н = R_к + R_э . Линия нагрузки по переменному току пройдет через найденную точку покоя П. Строится она по отношению напряжений к токам:

R_{н пер} = U_кэ /I_к (7.5)

Линия нагрузки по переменному току характеризует изменение мгновенных значений тока коллектора i_к и напряжения на транзисторе u_кэ . Траектория рабочей точки перемещается по линии нагрузки переменного тока . Работа без искажений формы сигнала достигается за счет соответствующей величины входного сигнала и правильного выбора точки покоя.

При расчете элементов каскада исходными данными являются U_{вых макс} , I_{н макс}, R_н и мощность в нагрузке. Поскольку эти параметры связаны, достаточно знать только два из них, например U_вых и R_н . Максимальный ток коллектора определяется по соотношению

(7.6)

Для получения высокого коэффициента  принимают R_к = (3 - 5 )R_н . По выбранному I_кп находят I_бп:

(7.7)

По входной характеристике транзистора определяют U_бэп .

Ток эмиттера примерно равен I_кп . Напряжение коллекторного питания

E_к = U_кэп + I_кп R_к + U_эп (7.8)

где U_эп = I_э R_э = I_кп R_э

E_к не должно превышать предельное напряжение транзистора. Принимают U_эп = (0,1 – 0,3)E_к . Тогда

R_э = U_эп/I_кп. E_к = (U_кэп + I_кп R_к ) /(0,7 – 0,9).

Иногда сопротивление R_э не ставят.

При расчете элементов делителя R1 и R2 исходят из того, что он не должен оказывать шунтирующее действие на входную цепь (а это случилось бы, если принять R1 и R2 малыми).

Общее сопротивление параллельно соединенных R1 и R2 принимают равным (2 – 5) r_вх = (2 –5) U_бэ / I_б . Тогда

; ; (7.9)

где I_д = (2 – 5) I_бп - ток делителя.

Транзистор выбирается по E_к , I_{к макс} , Р_макс и частотным свойствам.

Коэффициенты усиления каскада, входное и выходное сопротивления его определяются при расчете по переменному току. При этом пользуются схемой замещения каскада (Рис. 54).

Сопротивление источника питания принимается равным нулю (именно поэтому в предыдущем расчете R1 и R2 принимались параллельно соединенными). Входной сигнал – синусоидальный. Токи и напряжения характеризуются действующими значениями (). При этом входное сопротивление

(7.10)

где r_вх = r_б + (1 +  ) r_э. Исходя из реальных значений r_б,  и r_э, принимают

R_вх = (1 - 3) КОм. Коэффициент усиления по току равен

(7.10)

Рис. 54. Схема замещения усилительного каскада.

Коэффициент усиления по напряжению равен:

(7.12)

K_u = (20 – 100)

Следует учесть, что каскад ОЭ осуществляет поворот фазы выходного сигнала на 180^о по отношению к входному.

Коэффициент усиления по мощности равен

K_р = P_вых / P_вх = K_u K_i = (0,2 – 5) 10³

Выходное сопротивление равно:

(7.13)

Параметры схемы могут быть также определены с помощью h – параметров. Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать, используя схему замещения (Рис.55) и принимая R_б >> h₁₁, I_вх  I_б, R_н >> R_к. Тогда получим:

(7.14)

Отсюда

(7.15)

С учетом реальных величин h₂₂ = 10^-5 – 10^-6 Ом, R_k = 10³ – 10⁴ Ом, h₂₂R_k << 1. Поэтому K_u  - h₂₁ R_k / h₁₁, где h₁₁ – входное сопротивление транзистора h ₂₁ – коэффициент передачи тока.

Входное и выходное сопротивления каскада равны:

;

Рис. 55. Схема замещения транзистора в h-параметрах

Порядок входного сопротивления – от сотен Ом до нескольких килоОём. Выходное сопротивление обычно больше входного, что предполагает использование высокоомной нагрузки.

В многокаскадных усилителях с конденсаторной связью нагрузкой промежуточного каскада является входная цепь последующего каскада. Число каскадов определяется по требуемому коэффициенту усиления. Рассчитывают каскады начиная с оконечного к первому, исходя из требуемых напряжения, тока и мощности на нагрузке.

Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров транзисторов от частоты, приводят к необходимости учета полосы пропускания частот усилителя. Амплитудно-частотная характеристика этого усилителя имеет достаточно широкий частотный диапазон. При этом следует учитывать, что в схемах автоматики усилитель работает как правило при фиксированной частоте, отчего коэффициент усиления остается практически постоянным. В то же время, наличие емкостей может привести к фазовым искажениям, которые определяются фазо-частотными характеристиками усилителя. Фазовый сдвиг, создаваемый каскадом, может быть определен как  = - arc tg _в, где  - рабочая частота, _в = _ + _к – эквивалентная постоянная времени; _ = 1/(2f_) – примерно равна времени жизни носителей заряда в базе; f_ - граничная частота ;

(7.17)

Каскад по схеме ОК. В качестве каскада усиления тока находит применение схема с общим коллектором. Его работу можно проанализировать аналогично тому, как это было рассмотрено для схемы ОЭ.

Можно считать, что по переменному току входное напряжение подается между базой и коллектором, а выходное снимается с R_э. Точка покоя

в

Рис.56. Схема усилительного каскада с общим коллектором

ыбирается так же, как и для схемы ОЭ. Параметры схемы можно определить по схеме замещения или черезh-параметры. При использовании второго подхода получим:

, (7.18)

где h₁₁- входное сопротивление транзистора; h₂₁ =  , h₂₂ - выходная проводимость транзистора. Очевидно, что U_вых < U_вх . Коэффициент усиления по напряжению равен:

(7.19)

С учетом реальных величин параметров K_u  1. Схема с ОК не дает усиления по напряжению и не меняет фазу входного сигнала. Входное сопротивление каскада

(7.20)

Это сопротивление составляет сотни кОм, больше, чем в схеме с ОЭ. Выходное сопротивление R_вых  h₁₁/(1 + h₂₁) имеет величину нескольких десятков Ом. Коэффициент усиления по току равен примерно K_i  (1 + ).

Для получения больших значений входных сопротивлений используется схема составного транзистора.

Рассмотренная схема называется эмиттерным повторителем и используется в качестве выходного согласующего каскада, позволяющего подключать низкоомную нагрузку.