3. Усилители постоянного тока

3.1. Усилительные свойства транзистора на постоянном

токе

Рассмотрим усилитель постоянного тока (УПТ), схема которого показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1

Для входной и выходной цепей запишем уравнения второго закона Кирхгофа

, (3.1)

, (3.2)

. (3.3)

Свойства транзистора описываются его входными и выходными вольтамперными характеристиками (ВАХ). На рис. 3.2 показано семейство входных, а на рис. 3.3 - выходных ВАХ биполярного n-p-n транзистора КТ315А.

16

Рис. 3.2

Рис. 3.3

17

Из (3.2) при получим уравнение для нагрузочной линии

, (3.4)

которую построим на выходных ВАХ (рис. 3.3) при В иОм. Задавая серию значений тока базы, например,мА (- номер значения), по выходным ВАХ с заданным током базы (рис. 3.3) в точках их пересечения с нагрузочной линией определим значения тока коллектораи напряжения между коллектором и эмиттером. По входным характеристикам (рис. 3.2) при соответствующих значениях тока базыдля кривых с напряжением(практически все они совпадают с нижней ВАХ на рис. 3.2) определяем напряжение между базой и эмиттером.

В результате при их (3.1) определим значения входного напряжения, а из (3.3) – выходного напряжения. Полученные таблицы значений токов и напряжений можно представить графически, например, в видеили. Как видно из входных ВАХ, с ростом входного напряжения увеличивается ток базы, при этом из выходных ВАХ растет ток коллектора и падает напряжение коллектор-эмиттер.

Проведите необходимые расчеты и построения самостоятельно.

Расчет параметров элементов рассматриваемого УПТ начинается с выбора максимального тока коллектора , который должен быть больше. Из (3.4) при

, (3.5)

18

тогда

. (3.6)

Например, при мА получимОм.

Величина определяет глубину отрицательной обратной связи (ООС) в УПТ (повторите соответствующий материал). Коэффициент обратной связи приближенно равен

, (3.7)

а коэффициент усиления каскада с обратной связью определяется выражением

, (3.8)

где коэффициент усиления УПТ без обратной связи (при). Как видно, введение ООС приводит к снижению усиления, однако существенно улучшает другие характеристики усилителя. Коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

, (3.9)

где и- изменения выходного и входного напряжений в выбранной рабочей точке.

Передаточные характеристики УПТ, например, и, можно получить методами схемотехнического моделирования. Пример модели приОм,,и практически бесконечной нагрузкепоказан на рис. 3.4.

На рис. 3.5 приведены полученные передаточные характеристики (верхняя кривая) и.

19

Как видно, полученные зависимости существенно нелинейны, для их выравнивания можно применить отрицательную обратную связь по постоянному току ().

Рис. 3.4

Рис. 3.5

20

По верхней кривой на рис. 3.5 в рабочей точке с напряжением коллектор-эмиттер В определим коэффициент усиленияУПТ без обратной связи как отношение приращений выходногоВ и входногоВ напряжений.

На рис 3.6 показаны передаточные характеристики того же УПТ при Ом,Ом, как видно, их линейность повысилась, но уменьшился коэффициент усиления..

Рис. 3.6

По верхней кривой на рис. 3.6 в рабочей точке В коэффициент усиленияравен

,

а по формуле (3.8) соответственно , что хорошо согласуется с результатами моделирования.

21

Недостатком рассмотренного усилителя является форма передаточных характеристик, при которой выходное напряжение или ток не равны нулю при отсутствии входного сигнала. Желательная форма этих кривых показана на рис. 3.8. Подобные характеристики могут быть обеспечены схемотехническими методами, которые обеспечивают смещение передаточных характеристик по входному и выходному сигналам.

Рис. 3.7

3.2. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности напряжений на двух его входах и формирования одного выходного напряжения. Классическая схема ДУ [3] показана на рис. 3.8.

Напряжение на симметричном(незаземленном) выходеопределяется разностью входных напряжений на несимметричных (один из полюсов заземлен) входахи,

, (3.10)

где - коэффициент усиления ДУ. Усиливаемый сигнал подается на входы в виде двух одинаковых по амплитуде противофазных сигналов, то естьи тогда

, (3.11)

22

Рис. 3.8

Если на входах помимо полезных противофазных сигналов присутствуют одинаковые напряжения (синфазные помехи), то в идеальном случае (3.10) они вычитаются и не поступают на выход усилителя.

В схеме на рис. 3.8 синфазная помеха проникает на выход ДУ, но в существенно ослабленном виде. Коэффициент передачи синфазной помехи равен

(3.12)

и обычно много меньше единицы.

Для усилителя требуется двуполярный источник питания с двумя ЭДС и, обычно .

23

Коэффициент усиления ДУ равен

, (3.13)

где - сопротивление тела эмиттера транзистора, определяется по справочнику или в схемотехнической модели транзистора. Величинамала (десятые – сотые доли Ома), обычно ее принимают равнойнулю, тогда

. (3.14)

При расчетах напряжение коллектор-эмиттер транзисторов (относительно «земли») принимают равным . ВыбравВ, получимВ. Выберем биполярный транзистор КТ3102А, хорошо работающий в режиме малых токов коллектора, которые примем равнымимА. Тогда сопротивления коллекторных резисторов определяются выражением

кОм.

Сопротивления в цепи эмиттера обычно малы (десятки – сотни Ом). ПримемОм.

Сопротивление обычно выбирается из условия обеспечения нулевого напряжения в точке А на рис. 3.8. Через него протекает токмА, а напряжение на нем равно, тогда

кОм

24

Коэффициент усиления равен

,

а коэффициент передачи синфазной помехи -

.

На рис. 3.9 показана модель дифференциального усилителя, а на рис. 3.10 – его передаточная характеристика как зависимостьот разности входных напряжений (зависимостьv(4,7) от разности v(8)-v(5)).

Рис. 3.9

По характеристике рис. 3.10 определим коэффициент усиления разности входных сигналов, который равен 149, когда коэффициент усиления по одному из входов соответственно в два раза больше и равен 248, что соответствует расчетному значению.

25

Рис. 3.10

3.3. Усилитель постоянного тока на полевом

транзисторе

Полевые транзисторы удобны для реализации УПТ. Они имеют разнообразные ВАХ, в том числе и удобные для практического применения. Схема усилителя показана на рис. 3.11а, а модель полевого транзистора VCR4Nдля формирования проходной ВАХ - на рис. 3.11б. На рис. 3.12 приведена проходная характеристика полевого транзистора (зависимость тока стокаот напряжения затвор-исток).

Расчет сопротивления в цепи стока проводится исходя из условия равенства напряжения сток-исток половине напряжения питания, тогда

. (3.13)

26

Ток стока выбирается в середине линейного участка проходной характеристики. Удобно выбиратьпри.

Рис. 3.11

Рис. 3.12

27

В рассматриваемом случае мА при. ПриВ получимкОм.

Усилительные свойства полевого транзистора определяется крутизной(параметром), равной

. (3.14)

По характеристике на рис. 3.12 получим мА/В.

Коэффициент усиления УПТ равен

(3.15)

и в рассматриваемом случае получим .

Модель УПТ имеет вид, показанный на рис. 3.11б, но при сопротивлении в цепи стока Ом. На рис. 3.13 приведена зависимость выходного напряжения усилителя от входного.

Рис. 3.13

28

По характеристике на рис. 3.13 определим коэффициент усиления

,

что согласуется с расчетным значением.

Входное сопротивление УПТ на постоянном токе очень велико (практически бесконечно). С повышением частоты сигнала входное сопротивление усилителя резко падает из-за входной паразитной емкости около 20 пФ.

29

4. УСИЛИТЕЛИ СИГНАЛОВ

4.1. Усилитель с резистивно-емкостными связями

Принципиальная схема рассмотренного в [7] усилителя с резистивно-емкостными связями показана на рис. 4.1 (повторите необходимый материал).

Рис. 4.1

По этой схеме строятся маломощные усилители сигналов низких и средних частот. Выбор транзистора проводится исходя из их частотных возможностей и стоимости.

Из отечественных транзисторов целесообразно выбрать дешевый высокочастотный маломощный n-p-n транзистор в пластиковом корпусе КТ315А, его параметры приведены в приложении 1.

Расчет начинается с выбора постоянной составляющей тока коллектора в рабочей точке в интервале 2-10 мА. ПримеммА. Напряжение источника питания (например,В) обычно делится на примерно три равные части меж-

30

ду резистором (напряжением), транзистором (напряжение между коллектором и эмиттером) и цепью автосмещения (резисторомс напряжением).

Примем В, тогда для сопротивлений резисторов получим

Выходные вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора КТ315А с построенной нагрузочной линией по постоянному токупоказаны на рис. 4.2. Там же отмечена рабочая точка (РТ) с координатамиВ,мА, которой соответствует постоянная составляющая тока базымкА. Для выбранного транзистора ВАХ можно получить экспериментально, из подробного справочника по транзисторам и с помощью пакета MicroCAP в режиме формирования передаточных характеристик по постоянному току, как сделано в рассматриваемом примере (получите их самостоятельно).

Расчет делителя напряжения питания цепи базы описан в [7] (повторите указанный материал). Примемкоэффициент нестабильности

,

тогда

кОм.

Входные вольтамперные характеристики транзистора

31

КТ315А показаны на рис.4.4. В рабочей точке напряжение между базой и эмиттером равно В, тогда напряжение на базе транзистораравно

В.

Рис. 4.2

В [7] приведена формула для расчета

кОм

32

По ВАХ на рис. 4.2 и 4.3 определим -параметры транзистора [7], в результате получимкОм,,иСим (проведите расчет самостоятельно согласно [7], подробные вольтамперные характеристики можно получить в пакете программ MicroCAP).

Рис. 4.3

Пусть сопротивление нагрузки усилителя равно Ом, сопротивление источника сигналаОм. Эквивалентное сопротивление нагрузки равно

Ом.

В [7] приведены соотношения для основных характеристик усилителя, в результате получим:

33

- коэффициента усиления по току

;

- входного сопротивления

Ом;

- коэффициента усиления по напряжению

;

- выходной проводимости

Сим,

тогда выходное сопротивление равно

кОм.

Блокировочная емкость в цепи эмиттера должна удовлетворять неравенству [7]

,

тогда для нижней частоты сигнала, например, Гц илирад/с можно принять

мкФ.

Для разделительных конденсаторов аналогично

мкФ,

мкФ.

Результаты расчета приведены в табл. 4.1.

34

Таблица 4.1

Элемент	кОм	кОм	Ом	Ом	мкФ	мкФ	мкФ
Параметр	6,15	4	800	800	200	1068	318
Номинал	6,8	3,9	820	820	220	1200	330

Полученные значения параметров элементов усилителя не соответствуют стандартным величинам, приведенным в приложении 2. Стандартные номиналы этих элементов с отклонением % (ряд Е12) также приведены в табл. 4.1.

Проведем схемотехническое моделирование разработанного усилителя, соответствующая схема модели приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4

На рис. 4.5 показаны АЧХ вида (вверху), и ФЧХ (внизу) усилителя, которые не учитывают влияния входного сопротивления источника сигнала. Максимум коэффициента усиления равен 39, что близко к расчетному значению. На рис. 4.6 приведена зависимость от частоты входного сопротивления усилителя. Как видно, его значение на средних частотах (200 Ом) также соответствует расчетному (149 Ом).

35

Рис. 4.5

Рис. 4.6

Временные диаграммы входного (10 мВ) и выходного (большого) напряжений усилителя показаны на рис. 4.8.

36

На рис. 4.8 показаны те же зависимости при входном напряжении 50 мВ.

Рис. 4.7

Рис. 4.8

37

Как видно, при входном сигнале 50 мВ возникают сильные нелинейные искажения выходного напряжения.

При проектировании усилителей с малым потребляемым током(прежде всего) целесообразно выбрать супер-n-p-n транзистор в пластиковом корпусе КТ3102АМ, его характеристики приведены в приложении 1.

Расчет начинается с выбора постоянной составляющей тока коллектора в рабочей точке, для транзистора КТ3102А его можно выбрать 0,5 мА (и даже меньше). ПримеммА. Напряжение источника питанияВ делим на три равные части между резистором(напряжением), транзистором (напряжение между коллектором и эмиттером) и цепью автосмещения (резисторомс напряжением).

Примем В, тогда для сопротивлений резисторов получим

Вольтамперные характеристики биполярного транзистора КТ3102АМ с построенной нагрузочной линией по постоянному токупоказаны на рис. 4.9. Там же отмечена рабочая точка с координатамиВ,мА, которой соответствует постоянная составляющая тока базымкА.

Примем коэффициент нестабильности

,

тогда сопротивление равно

38

кОм.

Входные вольтамперные характеристики транзистора показаны на рис.4.10. В рабочей точке напряжение между базой и эмиттером равно В, тогда напряжение на базе транзистораравно

В.

Рис. 4.9

Определим сопротивление

кОм

39

По ВАХ на рис. 4.9 и 4.10 определим -параметры транзистора [7], в результате получимкОм,,иСим (проведите расчет самостоятельно, вольтамперные характеристики получите в пакете программ MicroCAP).

Рис. 4.10

Пусть сопротивление нагрузки усилителя равно кОм, сопротивление источника сигналакОм. Эквивалентное сопротивление нагрузки равно

Ом.

Определим коэффициент усиления по току

40

;

- входное сопротивление

Ом;

- коэффициент усиления по напряжению

;

- выходной проводимости

Сим,

тогда выходное сопротивление равно

кОм.

Найдем блокировочную емкость в цепи эмиттера для нижней частоты сигнала Гц илирад/с

мкФ.

Для разделительных конденсаторов аналогично

мкФ,

мкФ.

Результаты расчета приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Элемент	кОм	кОм	кОм	кОм	мкФ	мкФ	мкФ
Параметр	66	40	8	8	20	18	159
Номинал	68	39	8,2	8,2	22	18	180

41

Полученные значения параметров элементов усилителя не соответствуют стандартным величинам, приведенным в приложении 2. Стандартные номиналы этих элементов с отклонением % (ряд Е12) также приведены в табл. 4.1.

Проведем схемотехническое моделирование разработанного усилителя, соответствующая схема модели приведена на рис. 4.11.

Рис. 4.11

На рис. 4.12 показаны АЧХ вида (вверху), и ФЧХ (внизу) усилителя (сплошные линии, которые не учитывают влияния входного сопротивления источника сигнала. Максимум коэффициента усиления равен 15,4 и хорошо согласуется с расчетным значением 16,8. Там же пунктиром показаны частотные характеристикис учетом внутреннего сопротивления источника сигнала (R6), которое близко к входному сопротивлению усилителя (рис. 4.13), что сильно снижает коэффициент усиления и полосу пропускания усилителя.

Моделирование временных реализаций сигналов приводит к результатам, аналогичным показанным на рис. 4.7 и рис. 4.8. Проведите моделирование самостоятельно.

42

Рис. 4.12

Рис. 4.13

Проведите самостоятельноисследования свойств усилителей при нарушении равенства напряжений, сравните полученные результаты.

43

4.2Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель [7] предназначен для согласования усилительных устройств по сопротивлению, а также усиления тока и мощности входного сигнала. Его схема показана на рис. 4.14.

Рис. 4.14

Для получения высокого входного сопротивления можно использовать транзистор КТ3102А с малым входным током. Пусть напряжение питания В и сопротивление нагрузкикОм то же, что и в усилителе с резистивно-емкостными связями. Выберем постоянную составляющую токов эмиттера и коллекторамА. Напряжение между коллектором и эмиттером выбирают равным, тогдаВ и постоянная составляющая напряжения эмиттераравнаВ, а по закону Ома

кОм.

44

Расчет сопротивлений ,проводится так же, как и для усилителя с резистивно-емкостными связями, но целесообразно использовать больший коэффициент нестабильности. Например, при(это большое значение) получим

кОм.

Напряжение на базе транзистора больше на (0,5-0,7) В, тогда можно принятьВ, и тогда

кОм.

Эмиттерный повторитель является усилителем с глубокой (100%) отрицательной обратной связью.

Для транзистора КТ3102А при значениях кОм,,,См, сопротивлении нагрузкиОм и внутреннем сопротивлении источника сигналакОм получим [7]:

- коэффициент усиления по току

;

- входное сопротивление транзистора

кОм,

а с его учетом сопротивления делителя

кОм;

- коэффициент усиления по напряжению

;

- выходное сопротивление

Ом.

45

Емкости разделительных и блокировочного конденсаторов выбираются из тех же соображений, что и в усилителе с резистивно-емкостными связями,

мкФ,

мкФ.

Проведем схемотехническое моделирование эмиттерного повторителя, схема показана на рис. 4.15 (номиналы элементов не приведены к стандартным значениям).

Рис. 4.15

На рис. 4.16 показаны зависимости от частоты модулей коэффициента передачи (АЧХ), а также входного сопротивления повторителя(нижняя кривая) и транзистора(верхняя кривая). Пунктиром показана зависимость от частоты реактивного сопротивления паразитной емкости транзистора 6 пФ.

Как видно, коэффициент передачи повторителя близок к единице в диапазоне частот до 100 МГц. Его входное сопротивление на низких частотах равно 12,3 кОм и определяется в основном низким сопротивлением (13,3 кОм) параллельно соединенных резисторов и. Входное сопротивление транзистора равно 142 кОм.

46

Рис. 4.16

На высоких частотах модуль входного сопротивления резко уменьшается из-за шунтирующего действия входной емкости 6 пФ (пунктир на рис. 4.16).

Временные диаграммы напряжений и токов на частоте 100 кГц при амплитуде входного сигнала 1 В показаны на рис. 4.18. В верхней части показаны входное и выходное напряжения повторителя, как видно, они практически одинаковы. Ниже приведены напряжения на эмиттере транзистора (гармоническая кривая) и постоянное напряжение 5,77 В на разделительном конденсаторе (рис. 4.15). Далее приведены временные диаграммы тока коллектора и тока базы (нижняя кривая). При увеличении амплитуды входного напряжения (до величины 2 В) в эмиттерном повторителе возникают сильные нелинейные искажения, связанные с влиянием напряжения на разделительном конденсаторе. Соответствующие временные диаграммы (аналогичные приведенным на рис. 4.17) показаны на рис. 4.18.

47

Рис. 4.17

Рис. 4.18

48

Присутствующее на емкости постоянное напряжение 5,77 В запирает транзистор при достижении входным напряжением значения -1,44 В (проведите исследования самостоятельно). Если удалить эту разделительную емкость и вместо сопротивления эмиттеравключить сопротивление нагрузки(рис. 4.14), получим модель, схема которой показана на рис. 4.19.

Рис. 4.19

Частотные характеристики повторителя показаны на рис. 4.20. Как видно, они аналогичны показанным на рис. 4.16, но входное сопротивление усилителя равно 12,5 кОм, а транзистора 178 кОм, что несколько выше, чем для схемы на рис. 4.15.

На рис. 4.21 приведены временные диаграммы сигналов при амплитуде входного напряжения 5 В. На верхнем графике показаны входной (нижняя синусоида) и выходной (нижняя синусоида) сигналы. Средняя синусоида соответствует току коллектора, а нижняя – току базы транзистора.

Как видно, в схеме рис. 4.19 нелинейные искажения остаются умеренными даже при значительно больших входных сигналов, чем в схеме на рис. 4.15.

49

Рис. 4.20

Рис. 4.21

50

Для повышения входного сопротивления эмиттерного повторителя необходимо увеличивать сопротивления и, однако при этом повышается коэффициент нестабильности. Чтобы этого избежать, целесообразно увеличивать коэффициент передачи тока транзистора, однако у транзистора КТ3102 он и так велик.

Для решения поставленной задачи можно использовать составной транзистор (схема Дарлингтона), как показано в модели эмиттерного повторителя на рис. 4.22.

Рис. 4.22

Полученные в результате схемотехнического моделирования вольтамперные характеристики составного транзистора (из двух биполярных транзисторов КТ3102А) показаны на рис. 4.23 (проведите моделирование самостоятельно).

Расчет повторителя на рис. 4.22 проводится аналогично предыдущему с учетом того, что напряжение на базе первого транзистора больше напряжения эмиттера второго транзисторанаВ. По результатам моделирования напряжения в узлах 2, 3 и 4 соответственно равны,и.

51

Рис. 4.23

НА рис. 4.24 приведены АЧХ (верхняя кривая) и входные сопротивления повторителя (нижняя кривая) и составного транзистора. Пунктиром показана зависимость от частоты реактивного сопротивления паразитной входной емкости 5 пФ. Как видно, входное сопротивление повторителя на низких частотах равно 320 кОм, что многократно выше предыдущего. Входное сопротивление самого составного транзистора равно 7,7 МОм (очень велико). Обратите внимание, что сопротивление нагрузки Ом в схеме на рис. 4.22 значительно меньше, чем в схеме на рис. 4.19.

Временные диаграммы токов и напряжений показаны на рис. 4.25 при амплитуде входного напряжения 4 В.

52

Рис. 4.24

Рис. 4.25

53

На рис. 4.25 три верхних синусоиды соответствуют напряжениям в узлах 3, 4 и 5 (входной сигнал) соответственно. Средняя синусоида отображает ток коллектора, а нижняя – ток базы первого транзистора.

4.3. Усилитель на полевом транзисторе

Применение полевых транзисторов позволяет реализовать усилитель с высоким входным сопротивлением на низких частотах. Проходная ВАХ транзистора VCR4N, полученная методами схемотехнического моделирования в пакете программ MicroCAP, показана на рис. 3.12 (проведите моделирование самостоятельно). По ее форме видно, что для обеспечения линейного режима усиления рабочую точку можно выбрать при постоянном напряжении затвор-исток, то есть необходимость в напряжении смещения отсутствует.

Модель схемы усилителя с резистивно-емкостными связями на полевом транзисторе показана на рис. 4.26.

Рис. 4.26

Ее частотные характеристики показаны на рис. 4.27 (верхняя линия – АЧХ, средняя – ФЧХ, а нижняя – зависимость от частоты входного сопротивления).

54

Рис. 4.27

Пунктиром на нижней кривой рис 4.27 показана зависимость от частоты входной емкости усилителя, равной 15 пФ.

Расчет сопротивления в цепи стока проводится из условия(проведите его самостоятельно). Коэффициент усиления определяется выражением (3.15) и равен

.

По результатам моделирования АЧХ (рис. 4.27) на средних частотах . По форме ФЧХ видно, что усилитель инвертирует сигнал.

Модуль входного сопротивления усилителя очень велик на низких частотах (входной делитель напряжения питания отсутствует) и равен, например, 1 Мом на частоте 10 кГц. Он определяется входной емкостью усилителя (15 пФ).

55

4.4. Парафазный усилитель

Для формирования из входного напряжения двух противофазных выходных сигналов с равными амплитудами используют парафазный усилитель, схема которого показана на рис. 4.26. На выходе формируется сигнал, противофазный входному (инверсный канал), а на выходе- сигнал, совпадающий в входным по фазе (синфазный канал).

Рис. 4.26

Расчет по постоянному току парафазного усилителя и параметров его элементов при проводится так же, как и в усилителе с резистивно-емкостными связями (проведите его самостоятельно).

За счет сопротивления возникает глубокая отрицательная обратная связь. По переменному току разделительные

емкости заменяются коротким замыканием и тогда для переменных напряжений

56

,

,

,

где - модуль коэффициент усиления по напряжению соответствующего усилителя с резистивно-емкостными связями. Коэффициент передачипарафазного усилителя (по любому каналу) равен

.

За счет отрицательной обратной связи входное сопротивление парафазного усилителя повышается.

Схемотехническая модель парафазного усилителя показана на рис. 4.28. На рис. 4.28 показаны временные диаграммы входного сигнала (верхняя кривая) и выходных сигналов в противофазном и синфазном каналах, а на рис. 4.29 – АЧХ, ФЧХ и и зависимость от частоты входного сопротивления..

Рис. 4.27

57

Рис. 4.28

Рис. 4.29

58

4.5. Усилитель мощности

Основной задачей усиления мощности является обеспечение требуемой (Вт и выше) мощности выходного сигнала в заданной нагрузке (сопротивление нагрузкиобычно невелико: единицы-десятки Ом).

В качестве усилителя мощности часто выступает эмиттерный повторитель, например, на составном транзисторе по схеме на рис. 4.22 с нагрузкой 100 Ом. Его модель показана на рис. 4.30 (проведите расчет самостоятельно). В этом случае транзисторы усилителя работают влинейном режиме–режиме класса А.

Рис. 4.30

При амплитуде входного напряжения 5 В временные диаграммы напряжений (верхние синусоиды: сверху вниз напряжение на базе транзистора Q1, выходное и входное напряжения) и тока коллектора выходного транзистора Q2 показаны на рис. 4.31.

Как видно, при амплитудах выходного напряжения 4,9 В и тока коллектора выходного транзистора48,7 мА в нагрузкеОм выходная мощность равна

59

мВт илимВт.

Рис. 4.31

С повышением выходной мощности необходимо использовать более мощный выходной транзистор, например, КТ805 (проведите расчет и анализ самостоятельно).

Как видно, в рассматриваемых схемах при отсутствии входного сигнала постоянный ток коллектора (и эмиттера) велик (в схеме на рис. 4.30 он равен 54,6 мА), а значит велика и потребляемая мощность от источника питания

Вт,

при этом коэффициент полезного действия (КПД) усилителя будет равен всего

.

60

Недостатком рассмотренного усилителя является наличие постоянного напряжения на нагрузке, равного половине напряжения питания.

Для повышения КПД используют двухтактные схемы усилителей мощности, например, как показано на рис. 4.32. Устройство требует двухполярного напряжения питания .

Рис. 4.32

При положительной полуволне входного напряжения открыт транзистор VT2 закрыт, а VT1 открывается и его эмиттерный ток формирует напряжение на нагрузке. При отрицательном входном сигнале транзисторы меняются местами. Если входной сигнал отсутствует. то оба транзистора почти закрыты, их токи малы и противоположно направлены в нагрузке, создавая на ней нулевое напряжение.

Схемотехническая модель усилителя на рис. 4.32 показана на рис. 4.33. В усилителе использованы транзисторы типа n-p-n КТ3102А и типа p-n-p КТ3107А На рис. 4.34 приведены временные диаграммы входного сигнала (верхняя синусоида), далее выходного напряжения, тока коллектора первого и второго транзисторов соответственно.

61

Рассмотренная двухтактная приводит к появления нелинейных искажений (типа ступеньки) в выходном сигнале в области малых значений входного напряжения.

Рис 4.33

Рис. 4.34

62

Для устранения эффекта «ступеньки» используют различные схемотехнические решения, например, показанные в модели на рис. 4.35.

Рис. 4.35

Соответствующие временные диаграммы приведены на рис. 4.36 (верхняя кривая – выходное напряжение, там же пунктир – входной сигнал, на средних кривых сверху вниз токи коллектора первого Q1 и второго Q2 транзисторов, на нижней кривой – входной ток усилителя). Как видно, коэффициент усиления по напряжению практически равен единице.

Амплитуда входного напряжения равна В, амплитуда входного токамА, тогда мощность, потребляемая входной цепью усилителя от источника сигнала равна

Вт.

Амплитуда выходного сигнала В, сопротивление нагрузкиОМ, тогда мощность выходного сигнала определяется выражением

63

Вт,

а коэффициент усиления по мощности равен

.

Рис. 4.36

Максимальная амплитуда выходного напряжения примерно равна, тогда мощность в нагрузке равна

. (4.1)

Постоянная составляющая тока коллектора одного транзистора вида рис. 4.35 равна

. (4.2)

64

Тогда мощность, потребляемая от источника питания, равна

. (4.3)

С учетом того, что , получим

Рис. 4.35

, (4.4)

а КПД усилителя равен

. (4.5)

Мощность рассеивания на одном транзисторе равна

. (4.6)

Расчет усилителя проводится при заданных значениях сопротивления нагрузки и напряжения источника питания. Из (4.1) определяется максимальная выходная мощность, мощность рассеивания на транзисторе, а также амплитудаи среднее значение токатранзистора, по которым выбирается типы применяемыхn-p-nиp-n-pтранзисторов. Сопротивления резисторовR2 и R3 на рис. 4.35 выбираются такими, чтобы ток через нихбыл в несколько раз больше тока базы транзисторов (проведите проектирование и моделирование самостоятельно)

65

4.6. Интегральные усилители

Современная микроэлектроника предлагает разработчикам разнообразные интегральные схемы усилителей сигналов, предназначенных, например, для реализации:

- усилителей низкой частоты (УНЧ) аудиоаппаратуры;

- усилителей высокой частоты (УВЧ) радиоэлектронной аппаратуры;

- устройств обработки телевизионных видеосигналов;

- усилителей сигналов сверхвысоких частот (СВЧ);

- аналоговых устройств обработки и преобразования сигналов (сумматоры, вычитатели и т.д.).

Для интегральных схем характерны четко определенные требования по их применению, в том числе и схемы включения, заданные в технической документации (DATASHEET) от производителя, поэтому необходимость в расчетах может отсутствовать.

Рассмотрим монофонический отечественный УНЧ типа КР1064УН2, схема включения которого показана на рис. 4.36а (цифрами обозначены номера выводов корпуса), а внешний вид – на рис. 4.36б.

Рис. 4.36

66

Напряжение питания усилителя лежит в пределах от 2 В до 16 В, диапазон частот от 50 Гц до 16 кГц, коэффициент усиления по напряжению равен 48 дБ и максимальная выходная мощность 250 мВт на нагрузке 8 Ом.

Схема включения стереофонического интегрального усилителя К174УН22 показана на рис. 4.37а, а его внешний вид – на рис. 4.37б.

Рис. 4.37

Напряжение питания К174УН22 лежит в пределах от 1,8 В до9 В, диапазон частот от 30 Гц до 18 кГц, коэффициент усиления по напряжению равен 62 дБ и максимальная выходная мощность 650 мВт на нагрузке 4 Ом.

Универсальный линейный усилитель КР167УН3 показан на рис.3.38а, а внешний вид корпуса типа ТО99 – на рис. 4.38б. Он усиливает входное напряжение до 10 мВ с коэффициентом усиления 60 дБ в полосе частот до 200 кГц. Напряжение питания лежит в пределах от -6 В до -24 В, входное сопротивление равно 2,5 кОм, а сопротивление нагрузки должно быть не менее 2,5 кОм.

67

Рис. 4.38

В электронных устройствах достаточно часто необходимо использовать буферный усилитель с единичным коэффициентом передачи, высоким входным и низким выходным сопротивлениями (сравните с эмиттерным повторителем). Примером может служить интегральная схема типа EL2008C в корпусе ТО220 (5 выводов), как показано на рис. 4.39.

Рис. 4.39

Рабочий диапазон буферного усилителя 100 МГц при сопротивлении нагрузки 50 Ом, напряжение питания В, входное сопротивление более 500 кОм.

68

4.7. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) на рис. 4.40 обеспечивает выполнение операции вида

, (4.7)

где - выходное напряжение ОУ,- напряжение на его инвертирующем, а- на не инвертирующем входах,- коэффициент усиления ОУ,- двухполярное напряжение питания ОУ (обычно отВ доВ) (повторите необходимый материал).

Рис. 4.40

Для ОУ характерно высокое (для идеального ОУ -бесконечное) значение коэффициента усиления, высокое входное и очень низкое выходное сопротивления.

Для ОУ, в отличие от других интегральных усилителей, характерна высокаяуниверсальность применениядля реализации различных устройств обработки сигналов благодаря (4.7), что позволяет технически просто использовать различные варианты обратных связей.

Примером отечественного ОУ является интегральная схема КР544УД2А, схема включения которой показана на рис. 4.41а, а вид корпуса – на рис. 4.41б. Двухполярное напряжение питания лежит в пределах от 8 В до 16,5 В, коэффициент усиления составляет 96 дБ, входной ток менее 10 нА а сопротивление более 100 МОм, полоса усиливаемых частот 15 МГц.

69

Рис. 4.41

Выпускаются интегральные схемы, содержащие два и даже четыре ОУ в одном корпусе. Примером может служить интегральная схема К157УД2, схема включения которой показана на рис. 4.42а, а на рис. 4.42б показан ее внешний вид.

Рис. 4.42

70

Общее для двух ОУ двухполярное напряжение питания лежит в пределах от 3 В до 18 В, коэффициент усиления равен 82 дБ, входной ток не более 500 нА а сопротивление более 40 МОм, полоса усиливаемых частот 1 МГц.

Корректирующие емкости для ОУ на рис. 4.41а и рис. 4.42а выбираются равными 33-47 пФ.

Необходимо иметь в виду, что очень высокое входное сопротивление (сотни кОм и выше) можно реализовать только на постоянном токе и весьма низких частотах. С увеличением частоты входное сопротивление падает за счет шунтирующего действия входной паразитной емкости единицы – десятки пФ. На рис. 4.43а показана эквивалентная схема входной цепи ОУ, а на рис. 4.43б – зависимость от частоты модуля ее сопротивления (проведите расчеты самостоятельно при различных значениях емкости и сопротивления).

Рис. 4.43

Как видно, резкое падение входного сопротивления начинается на частотах 1 кГц. На частотах выше 1 МГц обычно используют типовые требования к входным сопротивлениям и нагрузкам, которые выбираются равными 75 Ом или 50 Ом.

71

В настоящее время наблюдается бурное развитие сверхвысокочастотных (СВЧ) очень малошумящих ОУ в малогабаритных корпусах (рис. 4.44а). Примером может служить ОУ ОРА687 фирмы TexasInstruments(TI) в восьмивыводном малогабаритном корпусе SO8 (рис. 4.44б) и в еще меньшем шестивыводном SOT23-6 (рис. 4.44в). Его параметры приведены в табл. 4.1.

Рис. 4.44

С помощью управляющего напряжения усилитель имеет возможность включения (В) и выключения (В), в последнем случае выходное напряжение равно нулю, а потребляемый ток менее 0,4 мА.

Аналогичными свойствами обладает ОУ LMH6624 и его сдвоенный аналог LMH6626 фирмы NationalSemiconductor, его параметры приведены в табл. 4.3, а вид и типы корпусов показаны на рис. 4.45.

72

Таблица 4.3

Тип ОУ	ОРА687	LMH6624	LMH6626
Напряжение питания	5	2,5 - 6	2,5 - 6
Потребляемый ток, мА	18,5	16	16
Полоса частот, МГц	3800	1500	1500
Уровень шума	0,95	0,92	0,92
Усиление, дБ	>50	>70	>67

Рис. 4.45

Наилучшими характеристиками в настоящее время обладает ОУ OPA847(внешний вид полностью соответствует рис. 4.44) с полосой частот до 3,9 ГГц, уровнем шума 0,85, напряжением питанияВ и потребляемым током 18 мА.

Упрощенный расчет электронных устройств на базе ОУ обычно проводится в предположении его идеальности: бесконечности коэффициента усиления и входного сопротивления, и для нулевого выходного сопротивления.

Моделирование Электронных устройств в области невысоких частот (до 1 МГц) удобно проводить с помощью пакетов программ типа MicroCAP. В диапазоне СВЧ подобные

73

программы не обеспечивают необходимой точности. В этом случае целесообразно применять пакеты программ, разработанные фирмами – производителями элементной базы для своих ОУ. Например, для этих целей фирма TexasInstrumentsв сети Internet предлагает программу TINA.

4.8. Усилители и преобразователи сигналов на базе ОУ

Для построения усилителей на базе ОУ используются две основных схемы: с не инвертирующим(рис. 4.46а) иинвертирующим(рис. 4.46б) включением.

Рис. 4.46

Коэффициент усиления не инвертирующего каскада на рис. 4.46а равен

. (4.8)

а для инвертирующего усилителя на рис. 4.46б

. (4.9)

Входное сопротивление не инвертирующего усилителя на рис. 4.46а равно

74

, (4.10)

где входное сопротивление не инвертирующего входа самого ОУ (для идеального ОУ оно бесконечно),- коэффициент усиления ОУ. Приполучим, то есть не инвертирующий усилитель обладает оченьвысоким входным сопротивлением.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно

. (4.11)

входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Расчет схемы на рис. 4.46 проводится по заданному коэффициенту усиления и выбранному сопротивлению с учетом получающейся величины. На низких частотах выбирают величину, равную единицам – десяткам кОм. На высоких частотах, и тем более в диапазоне СВЧ сопротивлениесоставляет десятки – сотни ОМ, часто его принимают равным типовому значению 50 Ом или 75 Ом. Выбрав, из (4.8) или (4.9) находим. Если при выбранномполучаем слишком большоеМом, то целесообразно уменьшить.

Пусть необходимо обеспечить . Выберем ОУ 157УД2 икОм (типичное значение), тогда для не инвертирующего усилителя (рис. 4.46а) из (4.8) следует

кОм.

Для инвертирующего усилителя из (4.9) получим

кОм.

75

Соответствующие модели в программе MicroCAP показаны на рис. 4.48.

Рис. 4.47

На рис. 4.48 показаны результаты моделирования не инвертирующего усилителя (рис. 4.47а), верхняя кривая – АЧХ, средняя – ФЧХ, а нижняя – зависимость от частоты входного сопротивления.

Рис. 4.48

76

На рис. 4.49 приведены АЧХ и ФЧХ инвертирующего усилителя (рис. 4.47б).

Рис. 4.49

Как видно, оба усилителя работоспособны на частотах до нескольких десятков кГц, что обусловлено свойствами ОУ.

На высоких частотах необходимо использовать элементную базу, подобную приведенной в табл. 4.1, например, ОУ OPA847, при этом должны использоваться низкоомные тракты передачи сигналов с сопротивлением 50 (75) Ом (так называемая пятидесятиомная техника).

Для схемотехнического моделирования таких устройств необходимо использовать специализированные программное обеспечение, например, программу TINA. На рис. 4.50 показана соответствующая модель не инвертирующего усилителя с расчетным коэффициентом усиления 10, а на рис. 4.51 = его АЧХ и ФЧХ. Резистор R5 обеспечивает входное сопротивление 50 Ом, а R4=50 Ом является нагрузкой усилителя.

77

Рис. 4.50

Рис. 4.51

Как видно, усилитель обеспечивает требуемый коэффициент усиления 10 (20 дБ) на частотах до 200-300 МГц.

78

В электронике широко применяются различные сумматоры или вычитатели входных сигналов на базе ОУ. Примером может служить сумматор двух сигналов, модель которого показана на рис. 4.52. Временные диаграммы его работы приведены на рис. 4.53.

Рис. 4.52

Рис. 4.53

79

Сумматор реализован на не инвертирующем усилителе и пассивном резистивном сумматоре, эквивалентная схема которого показана на рис.4.54а.

Рис. 4.54

Коэффициент усиления усилителя на рис. 4.52 равен

.

На его вход поступает суммарное напряжение, которое можно найти по методу наложения, как показано на рис. 4.54б и рис. 4.54в (проделайте расчет самостоятельно),

,

тогда выходное напряжение равно

.

(рассмотрите временные диаграммы на рис. 4.53, вверху изображен выходной сигнал, а внизу – два слагаемых входных сигнала: импульсный с амплитудой 1 В и гармонический с амплитудой 0,3 В). Входное сопротивление сумматора равно .

80

Нетрудно обеспечить и неравновесное сложение входных сигналов (спроектируйте такой сумматор).

Для построения вычитателя один из сигналов подается на не инвертирующий, а другой – на инвертирующий входы ОУ.

На базе ОУ можно реализовать устройства интегрирования (интегратор) и дифференцирования (дифференциатор) входного сигнала [7].

4.9. Измерительный усилитель

Измерительный усилитель на рис. 4.55 обеспечивает выполнение операциивида

, (4.12)

где - выходное напряжение ОУ,- напряжение на егоинвертирующем, а- нане инвертирующемвходах,- коэффициент усиления.

Рис. 4.55

В отличие от ОУ измерительный усилитель должен иметь точноустановленный коэффициент усиления.

В простейшем случае измерительный усилитель можно реализовать на одном ОУ, как показано на рис. 4.56 (обычно и).

81

Рис. 4.56

Дифференциальный коэффициент усиления равен

. (4.13)

Для измерительного усилителя (как и для ОУ) нежелательна синфазная помеха– сигнал, возникающий на выходе при одинаковых (синфазных) сигналов на входах. В идеальном усилителе (4.12) синфазная помеха равна нулю, а в реальном усилителе ее оценивают коэффициентом ослабления синфазной помехи, приравным

(4.14)

(обычно измеряется в децибелах).

Для измерительного усилителя на рис. 4.56 примерно равенсамого ОУ (определяется из справочника, в рассматриваемом случае он равен 88 дБ).

Расчет усилителя начинается с выбора типа ОУ исходя из заданного частотного диапазона и напряжения питания. Пусть используется ОУ К157УД2 при напряжении питания 12 В. Затем выбираем сопротивления и при заданном коэффициенте усиленияопределяем сопротивления

82

. (4.15)

При кОм иполучимМОм. Модель измерительного усилителя показана на рис. 4.57, а временные диаграммы входного сигнала (внизу) и выходного (вверху) – на рис. 4.58.

Рис. 4.57

Рис. 4.58

83

Как видно из рис 4.58, амплитуда входного напряжения v(6,3)=100 мВ, а выходного v(5)=10 В, то есть коэффициент усиления равен 100, что соответствует заданному.

Для исследования влияния синфазных помех в рассматриваемом усилителе воспользуемся моделью, показанной на рис. 4.59.

Рис. 4.59

Источник V3 формирует полезный (дифференциальный) сигнал с частотой 1 кГц, а источники V4 и V5 два одинаковых синфазных сигнала с частотой 50 Гц и амплитудой 10 В.

При нулевом дифференциальном сигнале (напряжении источника V3) временные диаграммы одинаковых входных синфазных сигналов (внизу) и выходного напряжения (вверху) показаны на рис. 4.60. Для идеального измерительного усилителя (4.12) выходной сигнал должен равняться нулю. Как видно из рис. 4.60 на выходе присутствует напряжение с постоянной составляющей мВ (напряжение смещения нуля) и амплитудой 3,2 мВ, при этом коэффициент ослабления синфазной помехи равен

или 70 дБ, что меньше справочного значения.

На рис. 4.61 приведены те же временные диаграммы при входном напряжении 0,3 мВ с частотой 1 кГц.

84

Рис. 4.60

Рис. 4.61

85

Как видно, синфазная помеха (50 Гц) накладывается на полезный сигнал (1 кГц), существенно его искажая. Для компенсации напряжения смещения нуля на вход усилителя необходимо подать дополнительное постоянное напряжение.

На рис. 4.62 показаны АЧХ (вверху) и ФЧХ (внизу) рассматриваемого измерительного усилителя.

Рис. 4.62

Для улучшения характеристик измерительных усилителей используются разнообразные схемные решения.

86