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 Rк, 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 Rк и Rэ. (рис.38) Они включены соответственно Rк - у коллектора, Rэ- 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 Rдоб (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 Rэобщ - 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 Сб. 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 Rэобщ 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 Rэобщ, тем меньше асимметрия плеч. Обычно она составляет 2 - 5%.

Причем, первоначальная асимметрия плеч в процессе работы стабилизируется тем точнее, чем больше Rэобщ. 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 Rэобщ 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 Rн. Так как каждый транзистор усиливает и

переворачивает сигнал (схемы с ОЭ), то на сопротивлениях коллекторов Rк′ и Rк″ развиваются выходные напряжения U′вых и U″вых, а выходное напряжение Uвых является разностью потенциалов между коллекторами и определяется:

Рис.40 Дифференциальный каскад

Uвых ═ U′вых - U″вых или Uвых ═ 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. Uвых ═ U′вых + U″вых .

В эмиттерную цепь транзисторов включено сопротивление эмиттерной связи Rэ общ, которое создает эмиттерную стабилизацию каждого транзистора и обеспечивает связь по току сигнала

между эмиттерами транзисторов. Когда на вход поданы противофазные сигналы, через Rэобщ

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 Uвых 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 Rэобщ.. 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 VT1, а VT2 включен по схеме с ОК и на его вход подается напряжение обратной связи

(Uос) с выхода всего усилителя; во-вторых, роль Rэобщ.. 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 Rэобщ 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 Uвых1 и Uвых2 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 Uвых1 и Uвых2

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 Rэ и входным сопротивлением Rвх соответствующего плеча оконечного каскада.

Относительно сопротивления R н~. = RэRвх/(Rэ+Rвх)транзистор включен по схеме с ОК и, следовательно, напряжение Uвых2 на нем по фазе совпадает с входным напряжением Uвх.

Относительно R н~ транзистор включен по схеме с ОЭ и, следовательно, напряжение Uвых1 противоположно по фазе напряжениям Uвх и Uвых2. 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,Uвых2=Uвх. Включение транзистора по схеме с ОЭ относительно сопротивления R н~ обеспечивает несколько большее усиление напряжения Uвх и, следовательно, Uвых1>Uвых2, что говорит об отличии амплитуд выходных напряжений

инверсного каскада с разделенной нагрузкой. Для устранения этой асимметрии сопротивление Rн~ 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 Ср резистор Rд. Сопротивления

резисторов Rэ и Rд можно рассчитать, исходя из условия равенства выходных напряжений, Uвых1=Uвых2 и сопротивлений которое можно записать в следующем виде: R/(R + Rвх) =

Rэ/(Rэ+Rд +Rвх).

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 Uвых2

практически не меняется, а напряжение Uвых1, приложенное к закрытому транзистору верхнего плеча оконечного каскада, резко возрастает. При значительном возрастании Uвых1 транзистор

инверсного каскада может перейти в режим насыщения. При работе верхнего плеча оконечного каскада (т. е. при подключении к коллекторному выходу инверсного каскада) напряжение Uвых1

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 Uвых 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 Uвых1 и Uвых2 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 Ки, 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.