Электротехника, электроника и схемотехника (часть 2)

### Тема 2: Элементы и узлы аналоговых устройств

назад | оглавление | вперед

### 2.2: Усилители

Важным назначением электронных приборов является усиление электрических сигналов. Устройства для решения этой задачи называются усилителями.

Структурная схема усилителя приведена на рис.2.1.

Рисунок 2.1.

Устройство содержит входное устройство (ВХУ) для передачи сигнала от источника (Ист. С) ко входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю, или наоборот.

Предварительный усилитель (Предв. У) состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах. Усилитель мощности (УМ) служит для отдачи в нагрузку необходимой

мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления. Выходное устройство (Вых. У) используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку (Н). Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно или нецелесообразно. Тогда роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающие постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования сопротивления выхода усилителя и нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе интегральных схем избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритных размеров и технологических трудностей изготовления.

Источник питания обеспечивает питание активных элементов усилителя.

Основными признаками для классификации усилителей являются диапазон рабочих частот и параметры, характеризующие его усилительные способности: ток, напряжение, мощность. Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон, нелинейные, частотные и фазовые искажения. Усилители мощности характеризуются выходной мощностью и КПД.

Для реализации высоких значений коэффициента усиления используют последовательное включение нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей (содержащих n каскадов) общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К = К1 К2 ... Кn.
Первый каскад определяет входное сопротивление усилителя

RВХ = UBХ / IВХ.

Если этот каскад работает при слабых входных сигналах, то к нему предъявляются жесткие требования по уровню собственных шумов.

Выходной каскад усилителя обычно является усилителем мощности. Он характеризуется выходным сопротивлением RВЫХ = UBЫХ / IВЫХ. Важным показателем является полезная мощность в нагрузке RH:

PПОЛ = U2ВЫХ / RН = I2ВЫХ RH,

где UВЫХ и IВЫХ — действующие значения выходного напряжения и тока соответственно.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной мощности в нагрузке РПОЛ к мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания

.

При больших амплитудах сигналов из-за нелинейности характеристик усилительных элементов возникают нелинейные искажения. Поэтому в практике используют понятие номинальной выходной мощности — максимальной мощности при искажениях, не превышающих допустимое значение. Степень нелинейных искажений усилителя оценивают величиной коэффициента гармоник:

,

где U2, U3, Un — действующие значения напряжений гармоник, возникших в результате нелинейного усиления; U1 — действующее напряжение первой гармоники.

Общая величина коэффициента гармоник многокаскадного усилителя зависит от нелинейных искажений, вносимых отдельными каскадами, и определяется по формуле

.

В электросвязи нелинейность усилителей принято оценивать затуханием нелинейности А в неперах:

.

Наличие в усилителях реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) приводит к возникновению частотных искажений и не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широкой полосе частот. Примерный вид АЧХ усилителя показан на рис. 3.2, а.

Рисунок 2.2.

Степень искажений на отдельных частотах оценивается коэффициентом частотных искажений КЧ, равным отношению коэффициента усиления К0 на средней частоте f0 к коэффициенту усиления Кf на данной частоте f:

KЧ = К0/Кf.

Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона рабочих частот: нижней fн и верхней fв. Коэффициенты частотных искажений в этом случае МН = К0/КН, МB = К0/КВ. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

М = М1М2...Мn (раз).

Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах М(ДБ) = 20LgМраз = М1 + М2 + ... +Мn.

Частотные искажения в усилителе сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным напряжениями, что приводит к фазовым искажениям. Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике (рис. 2.2,б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Идеальная АЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот (штриховая линия на рис. 2.2, а).

Идеальная фазочастотная характеристика (ФЧХ) — прямая, начинающаяся из начала координат (штриховая линия на рис. 2.2, б). Идеальная амплитудная характеристика усилителя показана штриховой линией на рис. 2.2, в. В реальных усилителях наблюдаются отклонения от идеальной характеристики при слабых и больших входных сигналах. В первом случае это объясняется наличием собственных шумов усилителя, во втором — ограниченностью линейного участка характеристик усилительных каскадов (обычно последнего).

Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигнала на входе усилителя называют его динамическим диапазоном D:

D = 20 lg (UВХ max / UВХ min).

Рисунок 2.3.

В качестве базового узла предварительных усилителей наиболее широко применяется усилительный каскад на БТ, включенный по схеме с общим эмиттером. Простейшая схема такого каскада приведена на рис. 2.3, а графики, поясняющие его работу, — на рис. 2.4. Для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку А выбирают посередине рабочего участка характеристик (участок ВС на рис. 2.4, б). Выбранный режим обеспечивается требуемой величиной тока базы IБА, задаваемого резистором RБ. Сопротивление резистора RБ рассчитывается по формуле

.

Здесь UБЭА, IКА, IБА — напряжение и соответствующие токи в рабочей точке А.

При подаче на вход транзистора напряжения сигнала uвх происходит изменение тока базы, а следовательно, и изменение тока коллектора iк и напряжения на сопротивлении нагрузки RH.

Амплитуда выходного тока Iкм примерно в (bБТ раз больше амплитуды базового тока IБТ, а амплитуда коллекторного напряжения UКm во много раз больше амплитуды входного напряжения: UКm>>UВХm=UБЭm. Таким образом, каскад усиливает ток и напряжение входного сигнала, что иллюстрирует рис. 2.4, а и б.

Пользуясь графиками, приведенными а этих рисунках, нетрудно определить основные параметры каскада:

входное сопротивление

RВХ = UБЭm / IБm.

коэффициент усиления по току

Кi = Iкm / IБm.

коэффициент усиления по напряжению

Кu = UКm / UБЭm.

коэффициент усиления по мощности

КР = КuКi.

Обычно каскады предварительных усилителей работают в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно превосходят аналогичные переменные составляющие). Эта особенность позволяет использовать аналитические методы расчета параметров каскадов по известным Н-параметрам транзистора.

Для определения параметров предварительного усилителя на БТ аналитическим методом воспользуемся моделью, приведенной на рис. 3.5, д. Предположим вещественный характер Н-параметров, что справедливо в области низких частот. Здесь усилитель представлен четырехполюсником, описываемым системой уравнений, где

.

Рисунок 2.4.

Решая совместно системы уравнений, получаем формулы для расчета основных параметров усилителя, пригодные для любой схемы включения транзистора:

;

;

;

.

Анализ полученных уравнений показывает, что все параметры усилителей на БТ существенно зависят от сопротивления RH.Э.. В каскадах усилителей (см., в частности, рис. 2.3) под RH.Э. понимается эквивалентное сопротивление нагрузки каскада, образованное параллельным включением сопротивлений RH и входного сопротивления следующего каскада RВХ.СЛ. При определенном сопротивлении нагрузки, называемом оптимальным, наблюдается максимальное усиление мощности входного сигнала:

.

Однако обычно в предварительных усилителях не ставится условие получения максимального усиления мощности входного сигнала и выполняется неравенство RH.Э.<<RH.Э.ОПТ. С учетом этого можно использовать упрощенные формулы для расчета параметров каскада предварительного усилителя: RВХ»H11; Кi»H21; ; .

Приведенные выше параметры получены без учета влияния реактивных элементов схемы. Это справедливо для области средних частот (см. рис. 2.2, а), где коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности не зависят от частоты.

На входе и выходе предварительного усилителя (рис. 2.3 и 2.5, б) используются элементы межкаскадной связи: разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2. Разделительный конденсатор Ср1 обеспечивает гальваническую развязку источника сигнала и входа транзистора, а конденсатор Ср2 препятствует попаданию постоянной составляющей тока коллектора на вход следующего каскада. Для получения больших значений коэффициента усиления используют последовательное соединение однотипных каскадов, выделенных на рис. 2.3 штриховой линией. Модели предварительного усилителя с учетом реактивных элементов приведены на рис. 2.5, б — д.

Рисунок 2.5.

Наличие в усилителях емкостей межкаскадной связи приводит к частотным искажениям усиливаемых сигналов в области нижних частот. Это нетрудно объяснить, рассматривая модели усилителя с генератором тока (рис. 2.5, б) или с эквивалентным генератором напряжения (рис. 2.5, в).

В усилителе на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, роль Rr выполняет динамическое сопротивление «коллектор — база» RK6, а напряжение генератора определяется выражением , где U'ВХ — напряжение на эмиттерном переходе (отличается от UBX на величину падения напряжения на сопротивлении базы R6). При понижении частоты увеличивается сопротивление емкости разделительного конденсатора (Хс = 1/(wСр2), включенного последовательно с внешней нагрузкой каскада (входом следующего каскада).

На низких частотах увеличивается падение напряжения сигнала на емкости разделительного конденсатора и, следовательно, снижается выходное напряжение каскада. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления с понижением частоты. Как видно из модели на рис. 2.5, в, функцию внешней нагрузки рассматриваемого предварительного усилителя выполняет эквивалентное входное сопротивление следующего каскада: RЭ = R62 (Rб сл + Rбэ СЛ)/(R62 + Rб СЛ + R53 СЛ), где Rб2 — сопротивление, обеспечивающее требуемый ток базы в исходном режиме следующего транзистора; R6 сл — сопротивление базы следующего транзистора; Rбэ СЛ — сопротивление эмиттерного перехода следующего транзистора.

Для облегчения анализа низкочастотных свойств предварительного усилителя полную модель (рис. 2.5, в) преобразуют в упрощенную модель, изображенную на рис. 2.5, г. Здесь усилительные свойства биполярного транзистора учтены эквивалентным генератором напряжения с UГ.НЧ и внутренним сопротивлением RГ.Н.Ч:

UГ.НЧ=UГRН/(RГ+RН), RГ.НЧ=RГRН/(RГ+RН).

Выходное напряжение усилителя в области нижних частот, как видно из рис. 3.5, г, определяется выражением

ВЫХ.НЧ= ВЫХRЭ=UГ.НЧ / (RГ.НЧ - j +RЭ).

В области средних частот сопротивление емкости Ср2 становится пренебрежимо малым и выходное напряжение определяется выражением

UВЫХ.СР=UГ,НЧRЭ / (RГ.НЧ+RЭ).

Отношение напряжения Uвых.нч к напряжению позволяет определить в комплексной форме относительное усиление каскада в области нижних частот:

.

Величину Ср2 (RГ.НЧ + RЭ) называют постоянной времени каскада на нижних частотах и обозначают tНЧ. Модуль выражения является уравнением нормированной АЧХ каскада в области нижних частот, а величина, обратная модулю, показывает зависимость коэффициента частотных искажений от частоты:

;

Отношение множителя при мнимой части выражения к его действительной части позволяет определить tgj, необходимый для расчета фазочастотной характеристики каскада:

j = arctg[l/(wtHЧ)] = arctg[l/(wCp2(RГ.НЧ + RЭ)].

При изменении частоты от нуля до бесконечности, угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями меняется от +90° до нуля.

Для определения импульсной характеристики каскада в области больших времен выражение запишем в операторной форме: К(p)=ptНЧ/(1+ptНЧ). Этому изображению соответствует оригинал, представляющий импульсную характеристику усилителя:

К(f) = exp(-t/ tНЧ).

Полученные выше расчетные формулы пригодны и для предварительных усилителей на полевых транзисторах, если принять в качестве Uг = mПТUвх, а в качестве RЭ.НЧ сопротивление утечки, включенное между затвором и истоком. В усилителях на биполярных транзисторах вследствие малых значений сопротивления RЭ.НЧ для получения требуемых значений tНЧ и, следовательно, небольших частотных искажений в области нижних частот приходится использовать электролитические конденсаторы большой емкости. Этого недостатка лишены усилители на полевых транзисторах. Вследствие высокого входного сопротивления в каскадах с полевыми транзисторами нетрудно обеспечить требуемые tН.Ч при использовании разделительных конденсаторов малой емкости.

Наличие в усилителях междуэлектродных емкостей транзисторов и монтажных емкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области верхних частот. Для анализа высокочастотных свойств предварительного усилителя полную модель (см. рис. 2.5, а) преобразуют в упрощенную модель, приведенную на рис. 2.5, д.

Здесь усилительные свойства биполярного транзистора учтены генератором напряжения с внутренним сопротивлением, определяемым выражением

,

где R'Н = RHR62/(RH + Rб2). В предварительных усилителях обычно RГ>>R'H. Поэтому в дальнейшем можно использовать выражение в упрощенном виде RГ.ВЧ»RбэСЛ(RбСЛ+R’Н)/(RбэСЛ+RбСЛ+R’Н).

В высокочастотной модели каскада предварительного усиления междуэлектродные и монтажные емкости учтены в виде нагружающей каскад эквивалентной емкости СЭ = СВЫХ + СМ + СВХ сл, где Свых — выходная емкость транзистора рассматриваемого каскада; См — монтажная емкость; Свх сл — входная емкость следующего каскада. Наибольший вклад в Сэ вносит емкость Свх сл. Эта емкость определяется выражением Свх. сл = Сбэ + Ск , где Сбэ = = 1/(2pfbR6э) — емкость перехода база — эмиттер; Ск — емкость коллекторного перехода; Кu — коэффициент усиления по напряжению следующего каскада.

Эффект увеличения коллекторной емкости объясняется тем, что через нее протекает ток, пропорциональный разности потенциалов между базой и коллектором следующего каскада.

Выходное напряжение каскада в области верхних частот согласно модели рис. 2.5, д определяется по формуле

.

Величину CэRГ.ВЧ называют постоянной времени каскада в области верхних частот и обозначают tВЧ. На средних частотах wСэRГ.ВЧ<<1 и, следовательно, становится равным Г.ВЧ. Нормированный коэффициент усиления в области верхних частот в комплексной форме определяется выражением

.

Модуль выражения представляет собой уравнение нормированной АЧХ каскада в области верхних частот, а обратная ему величина характеризует зависимость коэффициента частотных искажений от частоты

;

.

Аргумент выражения представляет собой фазочастотную характеристику в области верхних частот j = arctg(wCЭRГ.ВЧ). Отрицательное значение угла сдвига фазы свидетельствует об отставании выходного напряжения от входного на верхних частотах (при w ® ¥, j ® -90°).

Для определения импульсной характеристики каскада в области малых времен запишем выражение в операторной форме: КВЧ(р)= 1/(1+ptВЧ). Этому изображению соответствует оригинал, представляющий нормированную импульсную характеристику в области малых времен:

КВЧ(t)=1-exp(-t/tВЧ).

Выражения позволяют рассчитать нормированные характеристики каскадов предварительного усиления, необходимые для анализа свойств усилителей.

Модель, изображенная на рис. 2.5, д, пригодна для анализа усилителей на полевых транзисторах. В последних также наибольший вклад в Сэ вносит входная динамическая емкость. Однако если у биполярных транзисторов наибольшее влияние оказывает входная емкость (емкость перехода «база — эмиттер»), то в случае полевых транзисторов преобладающее влияние оказывает динамическая проходная емкость «затвор — сток»: Сзс. ДИН = СЗС(1+ ).

Рассмотренный каскад предварительного усиления (см. рис. 2.3) отличается простотой и малым потреблением тока от источника питания. Однако он имеет существенный недостаток: режим работы сильно зависит от температуры окружающей среды и нарушается при смене транзистора, а также с течением времени. В той или иной степени избежать этого недостатка позволяют каскады усиления со стабилизацией режима, схемы которых приведены на рис. 2.6.

Рисунок 2.6.

В схеме на рис. 2.6, а стабилизация режима достигается включением резистора между базой и коллектором. При этом транзистор оказывается охваченным параллельной ООС по напряжению. Это приводит к уменьшению входного и выходного сопротивлений, а также к стабилизации режима. Такой способ получил название коллекторной стабилизации. Каскады с коллекторной стабилизацией сохраняют нормальную работу при перепадах температуры до 30° С и изменении bБТ транзисторов до двух раз.

В схеме рис. 2.6, б, получившей название схемы эмиттерной стабилизации, используется последовательная ООС по постоянному току. Она достигается включением резистора в цепь эмиттера транзистора. Для того чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления полезного сигнала резистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ. Этот конденсатор имеет малое сопротивление в диапазоне рабочих частот полезного сигнала и, следовательно, ООС по переменному току, таким образом, устраняется. Эффективность работы такой схемы стабилизации тем лучше, чем высокоомнее сопротивление Кэ, так как в этом случае больше глубина ООС. При эмиттерной стабилизации каскад сохраняет нормальную работу при перепадах температуры порядка 70° С и изменении bБТ транзисторов в 5 раз.

На рис. 2.6, в приведена схема комбинированной стабилизации режима. Она обеспечивает наилучшую стабильность режима, так как, по сути, является объединением схемы коллекторной и эмиттерной стабилизации. При этом транзистор оказывается охваченным комбинированной ООС как по напряжению, так и по току.

В предварительных усилителях могут использоваться ПТ в трех схемах включения с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Усилительные каскады с общим затвором обладают низким входным сопротивлением, не имеют преимуществ по сравнению с каскадами на БТ и вследствие этого используются редко.

Усилительные каскады с общими истоком и стоком обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на БТ. Наилучшими усилительными свойствами обладают каскады усиления на ПТ, включенные по схеме с общим истоком. Схема такого каскада приведена на рис. 2.7. Здесь в качестве усилительного элемента используется ПТ с p-n переходом и каналом n-типа. Усиленный входной сигнал выделяется в нагрузке RН, включенной в цепь стока. В цепь истока включен резистор RИ. В режиме покоя через резистор RИ протекает ток стока и создает на нем падение напряжения, являющееся напряжением смещения между затвором и истоком. Напряжение смещения необходимо для установки требуемого режима работы усилительного каскада. В цепь затвора включен резистор R3, обеспечивающий гальваническую связь затвора с общим проводом. Посредством этого резистора напряжение смещения прикладывается ко входу транзистора: участку «затвор — исток». В рассматриваемом каскаде ко входному p-n переходу «затвор —исток» прикладывается запирающее напряжение смещения с резистора RИ. Поэтому транзистор обладает чрезвычайно высоким входным сопротивлением постоянному току. Практически оно определяется выбором сопротивления резистора R3, которое может составлять 105 ... 107 Ом, что существенно превышает входное сопротивление каскадов усиления на БТ.

Рисунок 2.7.

Для исключения влияния постоянных напряжений источника сигнала и следующего каскада на режим работы рассматриваемого каскада используются разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2. При подаче переменного входного напряжения в цепи канала появляется переменный ток стока, равный току истока (так как ток затвора практически равен нулю). За счет падения напряжения на резисторе RИ от переменной составляющей тока истока переменная составляющая напряжения uЗИ, усиливаемая транзистором, уменьшается: uЗИ = uЗИ-iИRИ. Следовательно, здесь наблюдается явление ООС, приводящее к уменьшению коэффициента усиления каскада. Для устранения ООС параллельно RH включают конденсатор СИ, емкостное сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть гораздо меньше сопротивления резистора RИ.

Принцип действия усилительного каскада на ПТ поясняется графиками, приведенными на рис. 2.8. В каскаде предварительного усиления исходную рабочую точку А выбирают посередине рабочего участка на семействе выходных характеристик или динамической передаточной характеристики (рис. 2.9). Выбрав положение рабочей точки А, определяют сопротивление резистора RИ: RИ=UЗИ А/IС А.

При подаче на вход транзистора напряжения сигнала uвх происходит изменение тока стока, а следовательно, и выходного напряжения на нагрузке RH: uСИ = iСRH.

Основным параметром схемы является коэффициент усиления напряжения, который определяют как отношение действующих или амплитудных значений выходного и входного напряжений: Кu=UВЫХ/UВХ=UСИ/UЗИ. Его можно также определить, анализируя эквивалентную схему каскада. Принципиальные схемы каскадов предварительных усилителей на БТ (см. рис. 2.3) и ПТ (см. рис. 2.7) имеют сходство. Это позволяет при рассмотрении свойств каскада предварительного усилителя на ПТ пользоваться упрощенной моделью, приведенной на рис. 2.5, в, учитывая специфические параметры ПТ: крутизну SПТ и дифференциальное выходное сопротивление Ri.

Рисунок 2.8.

На средних частотах влиянием Сэ и Ср2 можно пренебречь. Тогда выходное переменное напряжение можно рассчитать по формуле

,

где RН.Э = RНRвх сл/(RН + RВХ.СЛ) — эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току. Учитывая, что mП.Т = SП.ТRi, найдем

,

где SПТ — крутизна транзистора в рабочей точке.

При работе каскада с сопротивлением нагрузки существенно меньшим входного сопротивления следующего каскада RВХ.СЛ и внутреннего сопротивления транзистора, формула для расчета коэффициента усиления может быть записана в упрощенном виде:

Кu»SПТRН.

Идентичность моделей каскадов предварительного усиления на БТ и ПТ позволяет использовать выражения для анализа свойств предварительных усилителей на ПТ. Сравнивая свойства каскадов предварительного усиления на БТ и ПТ, можно отметить следующее: каскады на БТ, как правило, обладают большими значениями Кu, так как у маломощных приборов SБТ>>SПТ.

Рисунок 2.9.

назад | оглавление | вперед