ПЭ(Прикладная электроника) / Предоконечный усилитель

Назначение предоконечного каскада состоит в том, чтобы его выходным сигналом привести в действие оконечный каскад. Поэтому основные требования к нему - большая амплитуда неискаженного выходного сигнала и малое выходное сопротивление. В зависимости от схемы оконечного каскада драйвер должен развивать выходное напряжение однофазное, двухфазное или два отдельных, противоположных по фазе сигнала, не имеющих общей точки. Однофазный сигнал получают обычно от резисторного каскада с ОЭ, а противофазные получают от трансформаторного каскада или специального фазоинверсного каскада.

Рассмотрим некоторые из схем предоконечных каскадов.

Трансформаторный предоконечный каскад

Данный каскад может быть построен по трем схемам: рис 37-а, б, в, простейшим из которых (а) является тот, в котором первичная обмотка трансформатора включена непосредственно в цепь коллектора и через эту обмотку на коллектор подается напряжение источника питания. Вторичная обмотка имеет вывод от средней точки, относительно которой на ее половинах развивается два напряжения, равных по величине и противоположных по фазе.

Рис.37 Трансформаторный предоконечный каскад: а – со средней точкой вторичной обмотки;

б – с разделительным конденсатором; в – с двумя отдельными вторичными обмотками

Недостаток схемы: постоянное подмагничивание сердечника током покоя транзистора.

Чтобы избежать этого, включают сопротивление коллекторной нагрузки R_к, через которое подается питание на коллектор, а первичную обмотку трансформатора подключают к коллектору через разделительный конденсатор, не пропускающий в нее ток покоя транзистора (рис.37,б). Схема (в) имеет две отдельные вторичные обмотки без средней точки. Поэтому она применяется, если оконечный каскад выполнен по двухтактной бестрансформаторной схеме на транзисторах одного типа с ОЭ. Все приведенные схемы однотактные, поэтому работают в режиме А.

Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой

Эта схема построена на одном транзисторе, нагрузка у которого состоит из резисторов R_к и R_э. (рис.38) Они включены соответственно R_к - у коллектора, R_э- у эмиттера, что позволяет снять с них два противоположных по фазе напряжения. Максимальное выходное напряжения плеча равно половине развиваемого в коллекторной цепи. Схема проста, имеет малые искажения, но не дает усиление по напряжению и построена несимметрично: верхнее плечо имеет свойства схемы с ОЭ, а нижнее - ОК, поэтому у них неравные выходные сопротивления, а, следовательно, и напряжения.

Рис.38 Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой

Иногда для выравнивания симметрии последовательно с выходом нижнего плеча включают добавочный резистор R_доб (на схеме показан пунктиром).

Фазоинверсный каскад с эмиттерной связью

В схеме с эмиттерной связью два плеча: ведущее - на транзисторе VT₁ и ведомое - VT₂ .(рис.39) Первое плечо (ОЭ) усиливает сигнал, переворачивая его по фазе, и он снимается с коллектора R′_к - U′_вых.

Эмиттеры транзисторов соединены в общую цепь, в которую

включено сопротивление эмиттерной связи R_эобщ - на нем разностным

переменным током двух транзисторов создается напряжение входного сигнала ведомого плеча VT₂ - U″_вых.

Рис.39 Фазоинверсная схема с эмиттерной связью транзисторов ОЭ и ОБ

База VT₂ имеет по сигналу потенциал общего провода, поскольку соединена с ним через блокировочный конденсатор большой емкости С_б. Усиленный вторым плечом сигнал U″_вых снимается с коллектора транзистора VT₂ в той же фазе, что и на входе этого плеча (ОБ сигнал не переворачивает). Таким образом, схема дает два, противоположных по фазе относительно общего провода, сигнала.

В режиме покоя R_эобщ выполняет функции эмиттерной стабилизации режимов обоих транзисторов.

По принципу действия схема должны быть асимметричной, т.к. сигнал на входе VT₂ создается разностным током, а значит, чем больше R_эобщ, тем меньше асимметрия плеч. Обычно она составляет 2 - 5%.

Причем, первоначальная асимметрия плеч в процессе работы стабилизируется тем точнее, чем больше R_эобщ. Это объясняется: пусть уменьшился ток VT₂ (старение, замена), значит, уменьшилось U″_вых, т.е. асимметрия возросла, но при этом увеличится разностный ток, следовательно, повысится входное напряжение VT₂ на R_эобщ и возрастет его выходное напряжение U″_{вых ,} т.е. восстановится асимметрия. Это происходит за счет ООС по току в ведомом плече.

В этой схеме малы нелинейные искажения, фон переменного тока, максимальный неискаженный сигнал вдвое больше, чем в схеме с разделенной нагрузкой.

Дифференциальный каскад (рис.40)

Такой каскад не является привычным драйвером, но он используется перед предоконечным каскадом в аппаратуре серии «Звук Т» и входит в выходную часть оконечного усилителя, обхваченного общей петлей обратной связи. Его принцип действия удобно рассмотреть в этой теме, т.к. по построению эта схема практически не отличается от схемы с эмиттерной связью.

Дифференциальным называется каскад, имеющий два симметричных входа и дающий на выходе напряжение, пропорциональное разности входных сигналов («дифференциальный» - разностный). Его схема на рис 41.

На базы обоих транзисторов подаются два равных сигнала в противофазе, т.е. U″_вх = - U′_вх Выходной сигнал создается между коллекторами этих транзисторов, куда подключается следующий каскад или внешняя нагрузка R_н. Так как каждый транзистор усиливает и переворачивает сигнал (схемы с ОЭ), то на сопротивлениях коллекторов R_к′ и R_к″ развиваются выходные напряжения U′_вых и U″_вых, а выходное напряжение U_вых является разностью потенциалов между коллекторами и определяется:

Рис.40 Дифференциальный каскад

U_вых ═ U′_вых - U″_вых или U_вых ═ К٠(U′_вх - U″_вх),

где К – коэффициент усиления плеча схемы, то есть выходное напряжение пропорционально разности входных.

При нормальной работе каскада входные напряжения подаются в противофазе и их разность равна сумме абсолютных величин напряжений, т.е. U_вых ═ U′_вых + U″_вых .

В эмиттерную цепь транзисторов включено сопротивление эмиттерной связи R_{э общ,} которое создает эмиттерную стабилизацию каждого транзистора и обеспечивает связь по току сигнала между эмиттерами транзисторов. Когда на вход поданы противофазные сигналы, через R_эобщ проходят переменные составляющие токов транзисторов в противоположных направлениях, и если схема симметрична, то они взаимно компенсируются, при этом не создают напряжения обратной связи по току и коэффициент усиления не уменьшается, а получается вдвое больше, чем для одного транзистора в схеме ОЭ.

Достоинства: нечувствителен к помехам, попадающим на входы в одинаковой фазе, т.к. выходное напряжение U_вых в симметричной схеме равно нулю, а переменные токи проходят при этом в одном направлении, складываются и создают глубокую ООС по току, резко уменьшающую их коэффициент усиления, что еще больше ослабляет чувствительность схемы. Температурная стабилизация режима тем эффективнее, чем больше сопротивление резистора R_эобщ.. Однако с ростом этого сопротивления растут и на нем потери напряжения (U) и мощности (P), потребляемой источника питания.

Такой каскад применяется в ИМС контрольного усилителя УК-37 («ЗвукТ»).

В оконечном усилителе «ЗвукТ» применена другая разновидность дифференциального каскада, в котором во-первых, на следующий каскад снимается только один частичный сигнал с коллектора VT_1, а VT₂ включен по схеме с ОК и на его вход подается напряжение обратной связи (U_ос) с выхода всего усилителя; во-вторых, роль R_эобщ.. выполняет динамическое сопротивление в виде транзистора VT₃ с ОБ, являющегося токостабилизирующим двухполюсником.

Эту же схему можно использовать в качестве предоконечного каскада, если подавать сигнал только на первый вход, а снимать два противофазных частичных сигнала с коллекторов VT₁ и VT₂ относительно общего провода. Входной сигнал для VT₂ будет создаваться на R_эобщ разностью переменных токов, для чего должно соблюдаться условие: i′ _{к ~} › i ″_{к ~}

Усилители, которые изучаются в данном разделе, широко используются в аппаратуре радио и проводного вещания, радиовещательных и телевизионных приемников, в радиопередающих устройствах, каналообразующей аппаратуре. Материал данного раздела используется при изучении предметов «Радиопередающие устройства», «Многоканальная электросвязь», «Каналообразующая телеграфная аппаратура», «Звуковое и телевизионное вещание».

К фазоинверсным относятся каскады, имеющие несимметричный вход и симметричный относительно общего провода выход. Для этого инверсный каскад имеет два выхода, напряжения на которых по амп­литуде равны между собой и сдвинуты по фазе на 180°. Подобные кас­кады в ряде случаев необходимы для перехода от однотактных каска­дов к двухтактным, а также для передачи сигнала от однотактного кас­када к симметричной нагрузке. Так, инверсные каскады применяются в трансформаторных двухтактных оконечных каскадах для перехода от несимметричных однотактных каскадов пред­варительного усиления. Инверсный каскад необходим также для подачи напряжения сигнала на вход плеч двухтактного бестрансформаторного каскада.

Простейшим фазоинверсным каскадом явля­ется однотактный каскад

Рисунок 2.44 – Фазоинверсный трансформаторный каскад

Рисунок 2.45 – Фазоинверсный каскад с разделенной на­грузкой

с выходным трансформатором, имеющим симметричную вторичную обмотку с выводом от средней точки (рисунок 2.44). Средняя точка имеет нулевой потенциал, а на каждом из выводов вторичной обмотки полярность потенциалов будет противоположной, меняясь каждые полпериода. Напряжения U_вых1 и U_вых2 равны по амплитуде и противоположны по фазе. Однако в со­временных усилителях трансформаторные инверсные каскады нахо­дят ограниченное применение из-за большой массы, габаритов и стои­мости трансформатора, а также из-за сравнительно плохой частотной и переходной характеристик.

Фазоинверсный каскад с разделенной на­грузкой (рисунок2.45) имеет значительно лучшие характеристики. Этот каскад широко используется на практике. Напряжения U_вых1 и U_вых2 снимаются соответственно с сопротивлений нагрузок по пере­менному току R _н~ и R  _н~. Сопротивления R _н~ и R  _н~ образованы соответственно параллельным соединением резисторов R или R_э и вход­ным сопротивлением R_вх соответствующего плеча оконечного каскада.

Относительно сопротивления R  _н~. = R_эR_вх/(R_э+R_вх)транзистор включен по схеме с ОК и, следовательно, напряжение U_вых2 на нем по фазе совпадает с входным напряжением U_вх. Относительно R _н~ тран­зистор включен по схеме с ОЭ и, следовательно, напряжение U_вых1 противоположно по фазе напряжениям U_вх и U_вых2. Этим и объясняется фазоинверсия.Поскольку тран­зистор относительно R _н~ и R  _н~ имеет различные схемы включения, то коэффициент усиления напряжения для R _н~ и R  _н~ будет различ­ным. Так, если относительно R  _н~ транзистор включен по схеме с ОК, то его коэффициент усиления по напряжению меньше единицы и, сле­довательно,U_вых2=U_вх. Включение транзистора по схеме с ОЭ от­носительно сопротивления R _н~ обеспечивает несколько большее уси­ление напряжения U_вх и, следовательно, U_вых1>U_вых2, что гово­рит об отличии амплитуд выходных напряжений инверсного каскада с разделенной нагрузкой. Для устранения этой асимметрии сопротив­ление R _н~ выбирают меньшим, чем R  _н~ что обеспечивается соответ­ствующим подбором резистора в цепи коллектора транзистора.

Для вы­равнивания выходных сопротивлений можно в нижнее плечо инверс­ного каскада включить последовательно с разделительным конденса­тором С_р резистор R_д. Сопротивления резисторов R_э и R_д можно рас­считать, исходя из условия равенст­ва выходных напряжений, U_вых1=U_вых2 и сопротивлений которое можно записать в следующем виде: R/(R + R_вх) = R_э/(R_э+R_д +R_вх).

Инверсные каскады с разделенной нагрузкой используются при работе на двухтактный ламповый каскад без токов сетки, работающий в режиме как А, так и В, и на двухтактный транзисторный каскад, работающий в режиме А при малой мощности усилителя. При работе инверсного каскада на двухтактный транзисторный каскад в режиме В в него необходимо включить параллельно входным сопротивлениям плеч оконечного каскада диоды для разряда разделительных конденса­торов, заряжающихся при работе каскада в режиме В импульсами вход­ного тока транзисторов. При отсутствии этих диодов с изменением уровня входного сигнала будет изменяться и смещение на транзисто­рах оконечного каскада, что приведет к резкому увеличению нелиней­ных искажений сигнала. Необходимо учитывать также, что при ра­боте оконечного каскада в режиме В происходит поочередное подклю­чение его плеч к коллекторному и эмиттерному выходам фазоинверсно­го каскада. При работе нижнего плеча оконечного каскада, т. е. при подключении к эмиттерному выходу инверсного каскада, напряжение U_вых2 практически не меняется, а напряжение U_вых1, приложенное к закрытому транзистору верхнего плеча оконечного каскада, резко возрастает. При значительном возрастании U_вых1 транзистор ин­версного каскада может перейти в режим насыщения. При работе верхнего плеча оконечного каскада (т. е. при подключении к коллек­торному выходу инверсного каскада) напряжение U_вых1 уменьшится. Следовательно, при работе оконечного каскада в режиме В напряже­ние возбуждения изменяется несимметрично. Инверсный каскад с раз­деленной нагрузкой используется в интегральных микросхемах для управления, например, бестрансформаторным выходным каскадом с транзисторами одинаковой структуры в плечах.

Глубокая отрицательная обратная связь в инверсном каскаде с разделенной нагрузкой обеспечивает малые нелинейные и частотные искажения, что при простоте этого каскада определяет основное его достоинство. Однако в подобном каскаде трудно ввести цепи НЧ и ВЧ коррекции, в нем отсутствует усиление сигнала, нет компенсации пульсаций источника питания. Максимальное напряжение U_вых вдвое меньше, чем у обычного резисторного каскада при равном напряжении источника питания, так как напряжение сигнала от УЭ делится поров­ну между сопротивлениями R  _н~ и R  _н~.

Фазоинверсный каскад с эмиттер ной свя­зью. Большую симметрию выходных противофазных напряжений U_вых1 и U_вых2 равенство выходных сопротивлений и стабильность коэффициента усиления по сравнению с каскадом с разделенной на­грузкой получают в фазоинверсном каскаде с эмиттерной связью.

Фазоинверсные каскады на транзисторах с различной проводимостью используются в усили­телях с двухтактным оконечным бестрансформаторным каскадом.

Фазоинверсный каскад с инвертирующим транзистором представляет собой двухкаскадный резисторный усилитель, транзисторы VTI и VT2, которого включены по схеме с ОЭ. Второй каскад усилителя имеет коэффициент усиления по напряжению К_и, примерно равный единице.

Выводы:1. Фазоинверсные схемы обеспечивают получение на выходе двух одинаковых напряжений в противофазе. 2. Применение трансформатора для фазоинверсии приводит к частотным и фазовым искажениям, делает схему громоздкой. 3. Достоинство схемы с раздельной нагрузкой – простота. Главный недостаток – трудность получения одинаковых по амплитуде выходных напряжений. 4. Схема с эмиттерной связью позволяет обеспечить симметрию выходных напряжений. 5. Двухтактные схемы, собранные на комплементарной паре транзисторов не требует фазоинверсных схем.