7.3. Усилитель переменного тока с трансформаторной связью каскадов

Каскады с трансформаторной связью находят применение в качестве усилителей мощности. Порядок расчета параметров схемы остается прежним, но следует учесть, что сопротивление выходной цепи по постоянному току мало. Наклон линии нагрузки по переменному току будет определяться приведенным сопротивлением нагрузки:

R _{н пер} = n² (R_н+ r₂) + r₁ = n²R_н

где: r₁ и r₂ - сопротивления обмоток трансформатора; n - коэффициент трансформации: n = w₁/w₂. Его определяют исходя из требуемой мощности нагрузки и параметров усиленного сигнала по току и напряжению. Выходная мощность каскада равна

(7.21)

откуда

(7.22)

где: P_н - мощность нагрузки; R_н - сопротивление нагрузки; U_{к макс} - амплитуда переменной составляющей выходного сигнала. I_{к макс} как и прежде определяется по условию: I_{к п} >( I_{к макс} + I_{ко(э) макс}),

где : I_{к макс} = U_{к макс}/R_нпер; I_ко(э) - начальный ток коллектора, соответствующий максимальной температуре. Линия нагрузки по переменному току наносится на выходные характеристики транзистора под углом, определяемым R_{н пер} = U_кэ / I_кэ. По полученной точке покоя и линии нагрузки определяется ток базы покоя I_бп и параметры входного делителя

; (7.23)

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

Трансформаторная связь позволяет согласовывать входные и выходные сопротивления каскадов, а также обеспечивать инверсию фазы. Схема имеет более ограниченную полосу пропускания. К недостаткам можно отнести увеличение габаритов и веса усилителя, чувствительность к внешним магнитным полям.

Трансформаторные схемы могут строиться одно- и двухтактными.

Двухтактный каскад позволяет получить более высокий КПД.

7.4. О режимах работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзистора, а также значения усиливаемого напряжения, различают три режима работы.

Режим А. В режиме покоя рабочая точка выбирается на середине линейного участка переходной кривой. Нелинейные искажения минимальны. Режим используется для усиления напряжения и тока. Недостатком является низкий энергетический КПД (не более 35%).

Режим В. Точку покоя выбирают в начале переходной характеристики (в точке отсечки). Возникают большие искажения сигнала, однако КПД получается намного больше – до 80%. Режим используется в двухтактных усилителях мощности.

Режим С. Точку покоя выбирают за точкой отсечки. Искажения большие, но КПД близок к 100%. Режим используется в специальных схемах (автогенераторы, избирательные усилители).

а) б)

в)

Рис.59. Режимы работы усилителей: а) работа усилителя в режиме А. б) Работа усилителя в режиме В. в) Работа усилителя в режиме С.

7.5. Усилители постоянного тока

Эти усилители выполняются без применения реактивных разделительных элементов и применяются для усиления сигналов постоянного тока и медленно меняющихся сигналов.

Рис. 60. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока.

Схема каскада усилителя с прямым усилением показана на рисунке. Для согласования каскадов и связи каскада с источником сигнала и нагрузкой в схему введены источники э.д.с. U_{комп.вх} и U_комп.н. Э.д.с. U_{комп.вх} служит для компенсации тока через источник сигнала под действием напряжения U_б. Э.д.с. U_комп.н служит для компенсации тока нагрузки при отсутствии сигнала на входе. Компенсирующие напряжения можно получить за счет дополнения схемы делителями напряжения на входе и выходе. При этом входной источник и нагрузка оказываются включенными в диагонали мостов. В сбалансированном состоянии при е_г = 0 тока на выходе не будет.

Отсутствие в усилителе постоянного тока реактивных разделительных элементов приводит к тому, что любое изменение постоянного напряжения на выходе одного каскада воспринимается и усиливается всеми последующими каскадами. Поэтому любой внутренний или внешний фактор, вызывающий перераспределение или изменение постоянных потенциалов в цепях усилителя воспринимается им так же, как действие полезного сигнала.

Самопроизвольное отклонение напряжения на выходе усилителя от начального значения называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа являются нестабильность источников питания схемы, температурная и временная нестабильность параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы и помехи. Дрейф оценивается по величине изменения напряжения на выходе U_вых при закороченном входе за определенный промежуток времени. Для сравнения разных усилителей по величине дрейфа вводят понятие приведенного дрейфа: е_др = U_вых/ K_u, где K_u – коэффициент усиления по напряжению. Наличие дрейфа ограничивает чувствительность усилителя, т.к. минимальный входной сигнал должен быть не менее е_др.

При каскадном соединении усилителей следует учитывать их влияние друг на друга. Резисторы R_э каждого последующего каскада служат для создания необходимого напряжения U_бэп в режиме покоя. Таким образом, для транзистора Т2 получим:

U_бэп2 = U_кп1 – U_эп2 = U_кп1 – I_эп2 R_э2 , (7.24)

где U_кп1 - напряжение коллектора Т1 в точке покоя.

Во входной цепи включен источник компенсирующего напряжения. Это напряжение принимают равным U_бп1. Тогда

. (7.25)

Аналогично в выходной цепи:

(7.26)

Приняв делитель R1 = R2 высокоомным, можно записать:

R_вх = r_б + ( 1 +  ) ( r_э + R_э)   R_э (7.27)

(7.28)

(7.29)

. (7.30)

При этом принято, что иR_вх >> R_г

R_э1 рассчитывается по режиму температурной стабилизации первого каскада и имеет величину от нескольких сотен Ом до (1 – 3) кОм. Сопротивления R_э последующих каскадов кроме того обеспечивают напряжения U_бэп и потому больше. Чтобы избежать снижения K_u , вызванного увеличением R_э последующих каскадов, используют дополнительные цепи для пропускания тока I_д через R_э .

Расчет параметров каскада постоянного тока при выборе режима покоя и усиления для одного каскада такой же, как рассмотренный ранее. При многокаскадных схемах методика несколько другая, поскольку в УПТ прямого усиления выбор режима покоя каждого каскада усиления зависит от режимов смежных каскадов. Рассмотрим двухкаскадную схему (Рис. 61.).

Рис. 61. Двухкаскадный усилитель постоянного тока прямого

усиления.

Режим покоя транзистора Т1 обеспечивается делителем R1 – R2. К базе Т2 приложен сравнительно высокий коллекторный потенциал транзистора Т1,соответьсвтвующий его режиму покоя. Этот потенциал надо скомпенсировать, иначе токи I_б2 и I_к2 могут оказаться недопустимыми и Т2 попадет в режим насыщения. Компенсируется это коллекторное напряжение за счет эмиттерного напряжения U_э2 второго транзистора. Тогда :

U_э2= U_э1 + ( U_к1 - U_б2)

U_б2 обеспечивает протекание необходимого базового тока:

I_б2 = U_б2 / h_{11 э2} = U_б2 / R_вх2

В режиме согласования каскадов имеем:

Очевидно, что рост коллекторного напряжения, поступающего на каждый последующий каскад, приведет к росту R_э . При этом будет возрастать отрицательная обратная связь, обеспечиваемая этими резисторами в каскадах и будет падать коэффициент усиления. Для того, чтобы не увеличивать R_э , применяют дополнительные цепи , через которые проходит ток I_д .

В качестве источников компенсирующего напряжения можно использовать дополнительные делители напряжения на входе и выходе (Рис. 62).

Рис.62. Усилитель постоянного тока с компенсирующими делителями напряжения.

Во входной цепи получим:

Для выходной цепи:

Если считать делитель R₁ = R₂ высокоомным, то получим:

R_вх = r_б + (1 + β) ( r_э + R_э) = β R_э

Коэффициенты усиления по напряжению:

K_u = K_u1 K_u2

Схема с непосредственной связью используется при небольшом (до 3-х) количестве каскадов с небольшим коэффициентом усиления, поскольку увеличение K_u невозможно из-за дрейфа.

Схема с непосредственной связью используется для построения каскадов с небольшим коэффициентом усиления, поскольку увеличение K_u невозможно из-за дрейфа.

Для снижения дрейфа усилителей постоянного тока используют включение в цепь смещения базы или в цепь эмиттера термокомпенсирующих устройств: термисторов, стабилитронов. Однако, это устраняет только температурный дрейф. Лучшие результаты получаются при использовании балансных или дифференциальных схем (Рис. 63)

6. Дифференциальный усилитель

Д

Рис.63. Схема дифференциального каскада усилителя постоянного тока

ифференциальная схема каскада выполнена на двух одинаковых транзисторах. В цепь эмиттеров введен источник стабильного тока (транзисторы Т3–Т4), определяющий ток эмиттеров. Входной сигнал может подаваться на базу одного или двух транзисторов, или между базами. Сигналы называются дифференциальными, если они имеют разные знаки, и синфазными – если знаки одинаковые. Наличие источникаЕ_к2 снижает потенциал эмиттеров по отношению к общей точке и позволяет обойтись без компенсирующих источников на входах.

Схема предполагает близкие по параметрам транзисторы Т1 и Т2 и равные R_к1 и R_к2. При этом мост сбалансирован, напряжение на коллекторах при отсутствии входных сигналов нулевое:

U_вых = U_вых1 – U_вых2 = 0

В реальных условиях из-за различия параметров транзисторов в схеме имеется дрейф, но он разностный, а потому небольшой. Особенно это относится к усилителям на микросхемах, поскольку в этом случае расхождение параметров минимально.

При отсутствии входных сигналов (U_вх = 0), эмиттерный ток делится поровну между транзисторами. Токи I_э1 и I_э2 определяются входными токами покоя:

(7.31)

При равенстве эмиттерных токов будут равны токи коллекторов.

I _к1 = I_к2 =  (I_э/2)  I_э/2

и напряжения на коллекторах:

U_к1 = U_к2 = U_бал  E_к1 – (I_э R_к/2)

Это состояние покоя. При подаче входного сигнала на вход 1, растет ток базы Т1, растут и токи I_э1 и I_к1 , а токи I_э2 и I_к2 уменьшаются. Изменение токов происходит на одну и ту же величину, поскольку ток I_э остается постоянным. Напряжение на коллекторе Т1 уменьшается: U_к1 = E_к1 – I_к1 R_к1 , а на коллекторе Т2 растет: U_к2 = E_к1 – I_к2 R_к2. На выходе появляется напряжение

U_вых = U_к2 – U_к1 = U_к2 + U_к1 = 2 U_к (7.32)

где U_к2 и U_к1 - приращения коллекторных напряжений (Рис.64).

а) б)

Рис. 64. Диаграмма напряжений дифференциального усилителя: а) входной сигнал отсутствует; б) при наличии входного сигнала.

Заметим, что по отношению к входному сигналу U_к1 отрицательно (вход инвертирующий), а U_к2 - положительно (вход не инвертирующий) При подаче сигнала на второй вход изменение выходных напряжений будет происходить с обратным знаком. Входной ток каскада при равных параметрах транзисторов и подаче сигнала между базами будет равен:

(7.33)

Входной ток создает приращение коллекторных токов I_к1 = I_вх и напряжений на коллекторах:

U_вых1,2 = I_к R_к = I_вх R_к

Подставив это выражение в уравнение для I_вх и поделив его на e_г , получим:

(7.34)

Полученный коэффициент усиления примерно равен половине коэффициента усиления одиночного каскада.

При подаче на входы дифференциального сигнала (U_вх1 и U_вх2 разной полярности), получим:

U_вых = K_uд (U_вх1 + U_вх2 ) (7.35)

При подаче синфазного сигнала на входы ( U_вх1 и U_вх2 одной полярности), будем иметь:

U_вых = K_uд ( U_вх1 - U_вх2 ) (7.36)

Рис.65. Структурная схема усилителя постоянного тока с модуляцией сигнала

6. Усилитель с модуляцией сигнала

Наибольший эффект с точки зрения уменьшения дрейфа в усилителях постоянного тока дает применение усилителей с модуляцией сигнала. В усилителях этого типа осуществляется предварительное преобразование сигнала постоянного тока в сигналы переменного тока (модуляция), его усиление, и последующая демодуляция, т.е. выделение сигнала постоянного тока. Структурная схема приведена на Рис. 65 . Процесс преобразования сигналов на входе и выходе должен происходить так, чтобы не только сохранялась пропорциональность между величинами входного и выходного сигналов, но и соответствие между полярностью сигналов постоянного тока и фазой переменного тока. Применение усилителя переменного тока позволяет исключить передачу дрейфа нуля от каскада к каскаду.