Электроника и схемотехника Лекция 6 Тема Усилители

Электроника и схемотехника Лекция № 6. Тема: Усилители. Режимы (классы) усилителей. Многокаскадные схемы. Виды межкаскадной связи. Виды обратной связи. 1. Усилители. Режимы (классы) работы усилителей. 2. Многокаскадные схемы. Виды межкаскадной связи. 3. Обратные связи в усилителях.

1. Усилители. Режимы работы усилителей. Поскольку характеристики транзистора существенно нелинейны, то в процессе усиления входного сигнала имеют место искажения, которые называют нелинейными. Величина искажений в большой степени зависит от выбора начальной рабочей точки на линии нагрузки и от амплитуды входного сигнала. В зависимости от этого различают следующие основные режимы работы усилителя: режим класса A; режим класса B; режим класса AB; режим класса C; режим класса D. Количественно режим работы усилителя характеризуется углом отсечки – половиной той части периода, в течение которого в выходной цепи транзистора протекает ток нагрузки. Угол отсечки выражают в градусах или радианах. 1. 1. Режим класса А. Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной Iк=f (Iб). Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение (Eсм+Uвх)не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток iб, а следовательно и коллекторный ток iк нигде не снижаются до нуля. Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки ϴ равен 180°. Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из за большого значения начального коллекторного тока Iко КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже). Поэтому, такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления (до 3… 5 Вт). В режиме класса А работают и все каскады усиления напряжения.

Усиление в режиме класса А. 1. 2. Режим класса B.

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики. Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток Iко здесь значительно меньше. Угол отсечки ϴ равен 90° . Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки. Усиление в режиме класса B.

Для того чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода второй транзистор в этом же режиме. Ниже представлена схема двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах противоположного типа, но с идентичными параметрами, образующих так называемую комплементарную пару. Для питания коллекторной цепи используется два одинаковых источника питания Eк 1 и Eк 2, которые создают обратное включение коллекторных переходов. Резисторы R 1 и R 2 одинаковы, при Uвх=0 они фиксируют потенциал баз транзисторов, равный потенциалу корпуса. Двухтактная схема класса В с симметричным источником питания.

Режим класса В обычно используют преимущественно в мощных двухтактных усилителях, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим класса AB. 1. 3. Режим класса АB. Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала. Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из за нелинейности начальных участков входных вольт амперных характеристик транзи сторов. Усиление в режиме класса АВ.

При отсутствии входного сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него проте кает ток, составляющий 10 15% от максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в этом случае составляет 120 130°. При работе двухтактных усилительных каскадов в режиме класса АВ происходит перекрытие положи тельной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации не линейных искажений, возникающих за счет нелинейности начальных участков вольт амперных харак теристик транзистора. Схема двухтактного усилительного каскада, работающего в классе AB, приведена ниже. Двухтактная схема класса AВ с делителем напряжения.

Коллекторные токи покоя Iко 1 и Iко 2 задаются напряжением смещения, подаваемым на базы транзи сторов с сопротивлений R 2 и R 3, и составляют незначительную часть максимального тока в нагрузке: вследствие этого результирующая характеристика управления двухтактной схемы класса AB принима ет линейный вид (штрихпунктирная линия). Характеристика управления двухтактной схемы, работающей в классе AB.

1. 3. Режим класса C. В режиме класса С рабочая точка А располагается выше начальной точки характеристики передачи по току. Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, которое меньше половины периода вход ного сигнала, поэтому угол отсечки ϴ<90°. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт (коллекторный ток равен нулю), мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскада приближается к 100 %. Из за больших нелинейных искажений режим класса С не используется в усилителях звуковой часто ты, этот режим нашел применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередатчи ках).

Усиление в режиме класса С. 1. 3. Режим класса D. Иначе этот режим называется ключевым режимом. В этом режиме рабочая точка может находиться только в двух возможных положениях: либо в зоне отсечки (транзистор заперт и его можно рассмат ривать как разомкнутый ключ), либо в зоне насыщения (транзистор полностью открыт и его можно

рассматривать как замкнутый ключ). В активной зоне рабочая точка находится только в течение короткого промежутка времени, необхо димого для перехода её из одной зоны в другую. Поэтому при работе в ключевом режиме линия наг рузки может на среднем своем участке выходить за пределы гиперболы допустимых мощностей, при условии, что переход транзистора из закрытого состояния в открытое и наоборот производится доста точно быстро. Ключевой режим работы транзистора

Транзистор в режиме отсечки можно представить в виде разомкнутого ключа, так как практически всё напряжение источника питания падает между его эмиттером и коллектором, а ток коллектора Iк бли зок к нулю. Входное напряжение Uвх приложено к эмиттерному переходу транзистора в запирающем направлении. Схема ключевого режима работы транзистора В режиме насыщения во входной цепи транзистора протекает достаточно большой ток базы, при кото ром ток коллектора Iк нас2 достигает максимального значения Iк max, близкого к – максимально возмо

Переходный процесс переключения транзистора Затем коллекторный ток нарастает постепенно в течение времени tф1, что связано с процессом накопления носителей в базе. После окончания входного импульса в точке t 1 входной сигнал меняет полярность; эмиттерный переход смещается в обратном направлении и инжекция носителей в базу прекращается. Но поскольку в базе был накоплен некоторый заряд носителей, то ток коллектора еще в течение времени tр будет поддерживаться, а затем снижаться до нуля в течение времени tф2. Вре мя tр называют временем рассасывания неосновных носителей в зоне базы. Таким образом, импульс коллекторного тока существенно отличается от входного импульса в первую очередь тем, что имеет заметные фронты нарастания и спадания.

Фронт спадания коллекторного тока в основном определяется степенью насыщения транзистора. Поэтому с целью избегания глубокого насыщения в цепь базы обычно вводят ограничительное сопротивление Rб. А с целью уменьшения времени включения tф1 это ограничительное сопротивление шунтируют конденсатором Сф, который в первый момент времени шунтирует сопротивление Rб и поэтому обеспечивает быстрое нарастание базового Iб, а следовательно, и коллекторного тока Iк. Затем, когда он зарядится от источника входного сигнала, ток базы потечет уже через ограничительное сопротивление Rб и будет ограничен рост тока Iб и, следовательно, степень насыщения транзистора. Конденсатор Сф поэтому называют форсирующим (ускоряющий процесс включения транзистора).

2. Многокаскадные усилители на биполярных транзисторах. Коэффициент усиления одиночных транзисторных каскадов не превышает нескольких десятков. Поэтому для усиления слабых сигналов применяются многокаскадные усилители. Многокаскадные усилители строятся путем последовательного соединения отдельных усилительных каскадов. Структурная схема многокаскадного усилителя В многокаскадных усилителях выходной сигнал предыдущего усилителя является входным сигналом для последующего каскада. Входное сопротивление многокаскадного усилителя определяется входным сопротивлением первого каскада, а выходное – выходным сопротивлением последнего каскада. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, входящих в него: Важными характеристиками многокаскадного усилителя являются его амплитудно частотная и амплитудная характеристики. Отдельные каскады могут иметь различные АЧХ. Общая АЧХ многокаскадного усилителя определяется всеми входящими в его состав каскадами. Связь отдельных каскадов друг с другом осуществляется с помощью конденсаторов, трансформа

торов или непосредственно. В соответствии с этим различают многокаскадные усилители с емкост ной, индуктивной или гальванической связями. Амплитудно частотная характеристика (АЧХ) усилителя пред ставляет собой зависимость модуля оэффициента усиления К от частоты усиливаемо к го сигнала при постоянстве значения входного сигнала. Общий вид ее для усилителя с разделительны ми конденса торами, т. е. с конденсаторной связью, показан иже. н Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя Нелинейность AЧX обусловлена наличием в схеме усилителя элемен тов (в частности, конденсаторов и транзистора), параметры кото рых зависят от частоты. АЧХ позволяет судить о частотных иска жениях, называемых линейными. Такие искажения возникают, если входной сигнал имеет сложную форму и его можно представать как сумму гармонических составляющих с различными частотами и амплитуда ми, которые усиливаются неодинаково, т. е. с различны ми коэффициентами усиления. Анализируя ЧХ, А мы видим, что имеется диапазон средних частот с постоянным коэффициентом КU 0. В диапазонах низких и высоких частот коэффициент усиления уменьшается (происходят уменьшения коэффициента усиления в области низких и высоких частот, т. е. так называемые "завалы" АЧХ). Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффи циента усиления, называ ют полосой пропускания, которая определяет нижнюю H и верхнюю fв грани f чные частоты усиления при заданном уровне частот ных (линейных) искажений. Как правило, начение з

коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания составляет KUo /√ 2. "Завал" АЧХ в диапазоне низких частот (НЧ) обуслов лен влиянием разделительных конденсаторов I, C 2 и конденса C то ра э. Обычно емкости этих конденсаторов выбираются так, чтобы их сопротивление х С=1/ωС в диа С пазоне частот полосы пропускания было пренебрежимо мало и падением напряжения на них можно было пренебречь. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала реактивные сопротивления хс возра стают, что приводит к увели чению падения напряжения на них, и, как следствие, потери части ход в ного сигнала на разделительных конденсаторах C 1 и С 2. Шунтирующее действие конденсатора Сэ при этом также ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной свя зи по ере п менному току и снижению коэффициента усиления кас када. "Завал" АЧХ на высоких частотах обусловлен зависимостью коэффициента усиления транзистора от частоты, наличием межэлектродных емкостей транзистора (особенно емкостью между базой и коллек тором), влияние которых заключается в шунтирова нии соответствующих -n переходов тем боль р шем, чем выше ча стота усиливаемого сигнала. Ниже приведен пример многокаскадного усилителя с емкостными связями. Схема многокаскадного усилителя с емкостными связями

3. Обратные связи в усилителях. Обратной связью (ОС) называется такая электрическая связь между выходом и входом усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя подается обратно на его вход. Обратная связь может быть полезной или паразитной. Полезная ОС способствует улучшению основных характеристик усилителя, а возникает она в результате применения специальных схем. Паразитная ОС нарушает нормальную работу усилителя, а возникает она в результате взаимного влияния цепей друг на друга. 3. 1 Полезная ОС в усилителях. Чтобы часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя передать на вход, необходимо между входом и выходом включить элемент обратной связи (ЭОС), или иначе схему цепи обратной связи. Обратная связь в усилителях может быть как по напряжению, так и по току: это зависит от того, как подключена цепь обратной связи к нагрузке на выходе усилителя: 1. Обратная связь по напряжению: ЭОС подключается к выходу усилителя параллельно его нагру зке и напряжение обратной связи (Uос) при этом будет прямо пропорционально выходному напряже нию.

2. Обратная связь по току: цепь обратной связи подключается на выход усилителя последовательно с его нагрузкой. 3. Смешанная обратная связь: используется комбинация первых двух способов, при этом напряжение обратной связи содержит две составляющие, пропорциональные напряжению и току. По способу подключения ЭОС ко входу усилителя различают две разновидности ОС: Последовательная ОС: цепь обратной связи подключается последовательно с источником сигнала на входе усилителя; Параллельная ОС: цепь обратной связи подключается параллельно источнику сигнала на входе усилителя. Если схема усилителя окажется достаточно сложной для того, чтобы определить, какой вид обратной связи (по току или по напряжению) используется в ней, то рекомендуется поступить следующим обра зом: мысленно закоротить цепь нагрузки, если при этом напряжение обратной связи исчезнет, это значит, что в схеме усилителя действует обратная связь по напряжению. Если же напряжение обрат ной связи исчезнет при обрыве цепи нагрузки, то это значит, что в схеме усилителя действует обра тная связь по току.

Вывод. ООС в усилителе препятствует любому изменению величины коэффициента усиления по нап ряжению и этим оправдано ее применение в усилительных устройствах. За счет ООС в схемах удается отслеживать и корректировать положение рабочей точки усилителя на ВАХ, а, следовательно, и изме нения коэффициента усиления усилителя. 3. 2 Паразитные ОС в многокаскадных усилителях. Т. к. для различных каскадов многокаскадного усилителя обычно применяют один и тот же источник r питания, то из за наличия его внутреннего сопротивления п в усилителе возникают паразитные (нежелательные) ОС. Переменная составляющая тока каскадов (преимущественно оконечного) r создает на п переменную составляющую U , которая поступает в цепи питания предыдущих ка скадов и тем самым замыкает сразу несколько петель паразитных ОС, что может привести к самово збуждению. Самым эффективным и достаточно простым способом, исключающим влияние ОС в сложных стабилизированных источников питания, является применение развязывающих (устраня ющих ОС) фильтров, состоящих из Rф и Сф и включаемых последовательно или параллельно источ нику питания. Усилитель с последовательным включением фильтров развязки по питанию

Усилитель с параллельным включением фильтров развязки по питанию Фильтры включаются на пути обратной передачи в петле ОС и создают делитель переменного напряжения, сопротивления плеч которого равны Rф и XCф. Ослабление делителем напряжения паразитной ОС на нижней граничной частоте характеризуется коэффициентом развязки откуда. Номинал резистора Rф определяется требуемым напряжением питания предварительных каскадов, которое, как правило, меньше, чем у оконечного. Кроме ослабления паразитных ОС, развязывающие фильтры одновременно сглаживают пульсации напряжения питания с частотой 50 и 100 Гц, если усилитель питается от сетевого выпрямителя.