Особенности каскадов предварительного усиления. Электронные усилители

Введем термин «показатель качества» :

(20)

Значение М можно уяснить из рис. 12, на котором представлена типичная характеристика передачи полевого транзистора с каналом p-типа.

Наклон кривой при U з.и =0 равен S макс. Если касательную в точке U з.и =0 продолжить до пересечения с осью абсцисс, то она отсечёт на этой оси отрезок U отс /M. Это легко показать, исходя из (20):

(21)

Следовательно, М есть мера нелинейности проходной характеристики полевого транзистора. В показано, что при изготовлении полевых транзисторов диффузионным методом М = 2.

Найдём значение тока I c0 по выражению (21):

Подставив его значение в (19), получим:

Если в формуле (1) положить R i >>R н, то коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим истоком

(23)

Подставив значение коэффициента усиления (23) в выражение (22), получим:

(24)

Из соотношения (24) можно сделать следующий вывод: при заданном напряжении питания коэффициент усиления каскада обратно пропорционален напряжению отсечки полевого транзистора. Так, для полевых транзисторов, изготовленных методом диффузии, М = 2 и при U отс1 = 1,5 В (КП103Е), U отс2 =7 В (КП103М), напряжении питания 12,6 В и U c = 7 В коэффициенты усиления каскадов равны соответственно 7,5 и 1,6. Коэффициент усиления каскада с ПТ1 возрастает ещё больше, если за счёт увеличения сопротивления нагрузки R н уменьшить U с до 1,6 В. Следует отметить, что в этом случае при неизменном напряжении питания Е п транзистор с малой крутизной может обеспечить больший коэффициент усиления по напряжению, чем транзистор с большей крутизной (за счёт большего сопротивления нагрузки).

В случае малого сопротивления нагрузки Rн желательно использовать полевые транзисторы с большим напряжением отсечки для получения большего коэффициента усиления (за счёт увеличения S).

У транзисторов с низким напряжением отсечки изменение тока стока от температуры много меньше, чем у транзисторов с большим напряжением отсечки, и поэтому требования к стабилизации рабочей точки ниже. При смещениях на затворе, задающих нулевой температурный коэффициент изменения тока стока, у транзисторов с меньшим напряжением отсечки ток стока выше, чем у транзистора с более высоким напряжением отсечки. Кроме того, поскольку напряжение смещения на затворе (при нулевом температурном коэффициенте) у второго транзистора больше, то транзистор будет работать в режиме, при котором сильнее сказывается нелинейность его характеристик .

При заданном напряжении питания полевые транзисторы с низким напряжением отсечки позволяют получить больший динамический диапазон. Например, из двух транзисторов, имеющих напряжение отсечки 0,8 и 5 В при напряжении питания 15 В и максимальном сопротивлении нагрузки, рассчитываемом из соотношения (18), на выходе первого можно получить удвоенную амплитуду выходного сигнала (определяемую как разницу между Е п и U отс), равную 14,2 В, в то время как во втором - лишь 10 В. Различие в усилении будет еще более наглядным, если Е п уменьшить. Так, если напряжение питания снизить до 5 В, то удвоенная амплитуда выходного напряжения первого транзистора будет составлять 4,2 В, второй же транзистор использовать для этих целей практически невозможно .

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЯХ

Величина нелинейных искажений, возникающих в усилителях на ПТ, определяется многими параметрами схемы: смещением, рабочим напряжением, сопротивлением нагрузки, уровнем входного сигнала, характеристиками полевых транзисторов.

При подаче на вход усилителя с общим истоком синусоидального напряжения U 1 sinωt мгновенное значение полного напряжения в цепи затвор - исток можно записать

U з.и = E см + U 1 sinωt

где E см - напряжение внешнего смещения, поданного на затвор.

Учитывая квадратичную зависимость тока стока от напряжения на затворе (1), мгновенное значение i c будет равно:

(24а)

Раскрыв скобки в уравнении (24а), получим развернутое выражение для тока стока:

Из выражения (24б) видно, что в выходном сигнале наряду с постоянной составляющей и первой гармоникой содержится вторая гармоника частоты входного сигнала.

Нелинейные искажения определяются отношением среднеквадратичного значения всех гармоник к среднеквадратичному значению основной гармоники в выходном сигнале. Используя это определение, из выражения (24б) найдем коэффициент гармоник, выразив (E см -U отс) через I с0 :

(24в)

Выражение (24в) даёт лишь приблизительный результат, поскольку реальные проходные характеристики ПТ отличаются от описываемых выражением (1).

Для достижения минимальных нелинейных искажений необходимо :

Поддерживать значение U с.и достаточно большим для того, чтобы при максимальном перепаде выходного сигнала соблюдалось условие

U с.и ≥(1.5...3)U отс

Не работать при напряжениях затвор - сток, близких к пробою;
- сопротивление нагрузки выбирать достаточно большим.

На рис. 16, в приведена схема, в которой полевой транзистор работает с большим R н, чем обеспечиваются малые искажения и высокое усиление. В качестве сопротивления нагрузки здесь используется второй полевой транзистор Т2. Эта схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению порядка 40 дБ при Е пит =9 В.

Выбор типа ПТ, обеспечивающего наименьшие искажения, зависит от уровня входного сигнала, напряжения питания и требуемой полосы пропускания. При большом уровне выходного сигнала и значительной полосе пропускания желательны ПТ с большим U отс. При малом уровне входного сигнала или низком напряжении питания предпочтительны ПТ с малым U отс.

СТАБИЛИЗАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ

Коэффициент усиления УНЧ на ПТ, как и на других активных элементах, подвержен влиянию различных дестабилизирующих факторов, под действием которых он изменяет свое значение. Один из таких факторов - изменение окружающей температуры. Для борьбы с этими явлениями в основном применяются те же методы, что и в схемах на биполярных транзисторах: используют отрицательную обратную связь как по току, так и по напряжению, охватывающую один или несколько каскадов, вводят в схему температурно-зависимые элементы.

В полевом транзисторе с p-n-переходом под действием температуры изменяется по экспоненциальному закону ток обратносмещенного затвора, изменяются ток стока и крутизна.

Воздействие изменения тока затвора I з на коэффициент усиления можно ослабить, уменьшая сопротивление резистора R з в цепи затвора. Для уменьшения влияния изменений тока стока, как и в случае применения биполярных транзисторов, может использоваться отрицательная обратная связь по постоянному току (рис. 13,а).

Рассмотрим более подробно некоторые способы уменьшения влияния на коэффициент усиления изменений крутизны S.

В режиме усиления слабых сигналов коэффициент усиления некомпенсированного каскада на полевом транзисторе падает при повышении температуры. Например, коэффициент усиления схемы на рис. 13, а, равный 13,5 при 20° С, уменьшается до 12 при +60° С. Это уменьшение обусловлено в первую очередь температурным изменением крутизны полевого транзистора. Параметры смещения, такие как ток стока I с, напряжение между затвором и истоком U з.и и напряжение между истоком и стоком U c.и изменяются незначительно благодаря существующей обратной связи по постоянному току.

Рис. 13. Схемы усилителей со стабилизацией коэффициента усиления.

а - некомпенсированный каскад; б - компенсированный каскад усиления; в - компенсированный каскад усиления с ООС; г -переходная характеристика.

Включив несколько обычных диодов в цепь отрицательной обратной связи между затвором и истоком (рис. 13, б), можно стабилизировать коэффициент усиления усилителя без введения дополнительных каскадов. При увеличении температуры снижается прямое напряжение каждого диода, что в свою очередь приводит к уменьшению напряжения U з.и.

Экспериментально показано , что результирующее изменение напряжения перемещает рабочую точку таким образом, что крутизна S относительно стабильна в определенных пределах изменения температуры (рис. 13, г). Например, коэффициент усиления усилителя по схеме рис. 13, б, равный 11, практически сохраняет своё значение в пределах изменения температуры 20-60° С (К и изменяется всего на 1%).

Введение отрицательной обратной связи между затвором и истоком (рис. 13, в) уменьшает коэффициент усиления, но обеспечивает лучшую стабильность. Коэффициент усиления усилителя по схеме рис. 13, в, равный 9, практически не изменяется при изменении температуры от 20 до 60°.

Путём тщательного выбора рабочей точки и количества диодов можно стабилизировать коэффициент усиления с точностью 1% в диапазоне до 100° С .

УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВХОДНОЙ ЁМКОСТИ ПТ НА ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ

Для истокового повторителя, изображенного на рис. 11, а, по его эквивалентной схеме (рис. 11, б) постоянную времени входной цепи можно определить с достаточной для практических расчётов точностью следующим образом:

τ вх = R г [С г + С з.с + С з.и (1 - К и)], (25)

где R г и С г - параметры источника сигнала.

Из выражения (25) видно, что постоянная времени входной цепи находится в прямой зависимости от ёмкостей С з.с и С з.и, причём ёмкость Сз.и за счет влияния ООС уменьшена в (1-К и) раз.

Однако получение коэффициента усиления по напряжению, близкого к единице (с целью устранения влияния ёмкости С з.и), в схеме обычного истокового повторителя сопряжено с трудностями, связанными с малым пробивным напряжением полевого транзистора. Так, чтобы на полевом транзисторе КП102Е с максимальным током стока I с0 =0,5 мА, максимальной крутизной 0,7 мА/В получить коэффициент усиления по напряжению 0,98, необходимо использовать сопротивление R н =65 кОм. При I с0 = 0,5 мА падение напряжения на сопротивление R н составит около 32,5 В, а напряжение питания должно быть, как минимум, больше этого напряжения на величину U отс, т. е. E п =35 В.

Чтобы избежать необходимости использования высокого напряжения питания для получения коэффициента усиления, близкого к единице, на практике часто применяют схемы комбинированных повторителей на полевых и биполярных транзисторах.

На рис. 14, а изображена комбинированная схема как по типу применяемых в ней транзисторов, так и по схеме их соединения, носящая название истокового повторителя со следящей связью . Сток полевого транзистора Т1 подсоединён к базе биполярного транзистора Т2, с коллектора которого сигнал подаётся на истоковый вывод полевого транзистора в противофазе с входным сигналом. Подбором резисторов R5 и R6 можно напряжение сигнала на истоке получить равным входному напряжению, тем самым устраняя влияние ёмкости С з.и.

Резистор R1 установленный в цепи смещения затвора, присоединён к истоку транзистора Т1 через конденсатор С2 большой ёмкости. Эффективное сопротивление в цепи смещения определяется сопротивлением резистора R 1 и коэффициентом обратной связи , так что

(35)

где U и - амплитуда сигнала на истоке транзистора Т1.

Рис. 14. Схемы усилителей с уменьшенной входной ёмкостью.

а - истоковый повторитель со следящей связью; б - с уменьшенной ёмкостью С з.с; в - истоковый повторитель с динамической нагрузкой.

При больших значениях β биполярного транзистора Т2 коэффициент усиления схемы приблизительно можно оценить следующим выражением:

(36)

Если усилитель предназначен для работы на низких частотах, то резистор R6 можно зашунтировать конденсатором С3 (на рис. 14, а показан пунктиром); при этом верхний частотный предел определяется выражением

(37)

Выше был рассмотрен метод уменьшения влияния ёмкости затвор - исток С з.и на частотную характеристику усилителя путем получения у истокового повторителя коэффициента усиления, близкого к единице. Влияние ёмкости С з.с при этом оставалось неизменным.

Дальнейшее улучшение частотных характеристик усилителей может быть достигнуто за счет ослабления статической ёмкости затвор - сток во входной цепи схемы.

Чтобы уменьшить влияние ёмкости между затвором и стоком, можно применить способ, аналогичный описанному выше для снижения влияния ёмкости С з.и, т. е. уменьшить напряжение сигнала на ёмкости. В схеме, показанной на рис. 14, б , влияние ёмкости С з.с снижено настолько, что входная ёмкость каскада почти полностью определяется расположением деталей в схеме и ёмкостью монтажа.

Первый каскад на транзисторе T1 имеет малую нагрузку в цепи стока и для сигнала, снимаемого с истока, является истоковым повторителем. Выходной сигнал подается на каскад с общим коллектором, в котором используется биполярный транзистор.

Для снижения влияния ёмкости С з.с сигнал с выходного каскада (эмиттерного повторителя) подается через конденсатор С2 на сток транзистора T1 в фазе с входным сигналом. Для повышения эффекта компенсации необходимо принять меры для увеличения коэффициента передачи первого каскада. Это достигается подачей на резистор смещения R3 сигнала с эмиттерного повторителя. В итоге подаваемое на сток напряжение становится больше, а отрицательная обратная связь - действеннее. Кроме того, повышение коэффициента передачи первого каскада дополнительно уменьшает влияние ёмкости С з.и.

Если не использовать перечисленные методы снижения ёмкости затвора, то входная ёмкость, как правило, довольно значительна (у транзистора КП103 составляет 20-25 пФ). В результате удается снизить входную ёмкость до 0,4-1 пФ.

Истоковый повторитель с динамической нагрузкой (По материалам Ю. И. Глушкова и В. Н. Семенова), охваченный следящей обратной связью на сток, изображен на рис. 14, в. С помощью такой схемы удается исключить влияние статического коэффициента усиления полевого транзистора μ на коэффициент передачи истокового повторителя, а также уменьшить ёмкость С з.с. Транзистор Т2 выполняет роль генератора стабильного тока, задавая ток в цепи истока полевого транзистора Т1. Транзистор Т3 является динамической нагрузкой в цепи стока полевого транзистора но переменному току. Параметры истокового повторителя:

ЭКОНОМИЧНЫЕ УНЧ

Перед разработчиком иногда встает задача создания экономичных усилителей низкой частоты, работающих от низковольтного источника питания. В таких усилителях могут быть использованы полевые транзисторы с малыми напряжением отсечки U отс и током насыщения I с0 ; эти схемы имеют несомненные преимущества перед ламповыми и схемами на биполярных транзисторах.

Выбор рабочей точки в экономичных усилителях на полевых транзисторах определяется исходя из условия получения минимальной рассеиваемой мощности. Для этого напряжение смещения U з.и выбирается почти равным напряжению отсечки, при этом ток стока стремится к нулю. Такой режим обеспечивает минимальный нагрев транзистора, что приводит к малым токам утечки затвора и высокому входному сопротивлению. Необходимый коэффициент усиления при малых токах стока достигается увеличением сопротивления нагрузки.

В экономичных усилителях низкой частоты широко применяется схема каскада, изображенного на рис. 10, б. В этой схеме напряжение смещения образуется на сопротивлении в цепи истока, что создает отрицательную обратную связь по току, стабилизирующую режим от влияния колебаний температуры и разброса параметров.

Можно предложить следующий порядок расчета экономичных каскадов УНЧ, выполненных по рис. 10, б.

1. Исходя из условия получения минимальной рассеиваемой мощности, выбираем полевой транзистор с малыми напряжением отсечки U отс и током насыщения I с0 .
2. Выбираем рабочую точку полевого транзистора по току I c (единицы - десятки микроампер).
3. Учитывая, что при напряжении смещения, близком к напряжению отсечки, ток стока можно приблизительно определить по выражению

Rc ≈ U отс /R и (38)

сопротивление в цепи истока

Rи ≈ U отс /I и (39)

4. Исходя из необходимого коэффициента усиления, находим R н. Так как коэффициент усиления

(40)

то, пренебрегая шунтирующим действием дифференциального сопротивления сток-исток R i и подставляя вместо S её значение, полученное путем дифференцирования выражения для тока стока в (40), получаем:

(41)

Из последнего выражения находим необходимое сопротивление нагрузки:

(42)

На этом расчет усилителя заканчивается и в процессе регулировки лишь уточняются номиналы резисторов R н и R и.

На рис. 15 приведена практическая схема экономичного усилителя низкой частоты , работающего от ёмкостного датчика (например, от пьезокерамического гидрофона).

Благодаря малому току смещения выходного усилителя, состоящего из двух транзисторов Т2 и Т3, мощность рассеяния всего предварительного усилителя составляет 13 мкВт. Предварительный усилитель потребляет ток 10 мкА при напряжении питания 1,35 В.

Рис. 15. Принципиальная схема экономичного усилителя.

Входное сопротивление предварительного усилителя определяется сопротивлением резистора R1. Собственно входным сопротивлением полевого транзистора можно пренебречь, поскольку оно на порядок больше сопротивления резистора R1.

В режиме малых сигналов входной каскад предварительного усилителя эквивалентен схеме с общим истоком, в то время как цепи смещения выполнены как в схеме истокового повторителя.

Используемый в данной схеме полевой транзистор должен иметь небольшое напряжение отсечки Uотс и малый ток стока I с0 при напряжении на затворе U з.и =0.

Проводимость канала полевого транзистора T1 зависит от тока стока, и так как последний незначителен, то и проводимость мала. Поэтому выходное сопротивление схемы с общим истоком определяется сопротивлением резистора R2. По данным выходное сопротивление усилителя 4 кОм, коэффициент усиления по напряжению равен 5 (14 дБ).

КАСКАДЫ УНЧ С ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ

Полевые транзисторы позволяют легко реализовать схемы усилителей низкой частоты с динамической нагрузкой. По сравнению с реостатным каскадом усиления, у которого сопротивление нагрузки постоянно, усилитель с динамической нагрузкой имеет больший коэффициент усиления по напряжению.

Принципиальная схема усилителя с динамической нагрузкой приведена на рис. 16, а.

В качестве динамического сопротивления стоковой нагрузки полевого транзистора Т1 используется активный элемент - полевой транзистор Т2, внутреннее сопротивление которого зависит от амплитуды сигнала на стоке транзистора Т1. Транзистор Т1 включён по схеме с общим истоком, а Т2 - по схеме с общим стоком. По постоянному току оба транзистора включены последовательно.

Рис. 16. Принципиальные схемы усилителей с динамической нагрузкой.

а - на двух ПТ; б - на ПТ и биполярном транзисторе; в - с минимальным количеством деталей.

Входной сигнал U вх подается на затвор полевого транзистора Т1, а снимается с истока транзистора Т2.

Каскад усиления (рис. 16, а) может служить в качестве типового при построении многокаскадных усилителей. При использовании полевых транзисторов типа КП103Ж каскад имеет следующие параметры:

Следует отметить, что при использовании полевых транзисторов с малым напряжением отсечки можно получить больший коэффициент усиления по напряжению, чем при использовании полевых транзисторов с большим напряжением отсечки. Это объясняется тем, что у ПТ с малым напряжением отсечки внутреннее (динамическое) сопротивление больше, чем у ПТ с большим напряжением отсечки.

В качестве динамического сопротивления можно использовать и обычный биполярный транзистор. При этом коэффициент усиления по напряжению получается даже несколько выше, чем при использовании в динамической нагрузке полевого транзистора (за счёт большего R i). Но в этом случае увеличивается количество деталей, необходимых для построения каскада усиления с динамической нагрузкой. Принципиальная схема такого каскада изображена на рис. 16, б, причем параметры его близки к параметрам предыдущего усилителя, изображенного на рис. 16, а.

Усилители с динамической нагрузкой следует использовать для получения большого коэффициента усиления в малошумящих УНЧ с низким напряжением питания.

На рис. 16, в изображен усилительный каскад с динамической нагрузкой, в котором число деталей сведено к минимуму, причем эта схема обеспечивает коэффициент усиления до 40 дБ при малом уровне шума. Усиление по напряжению для этой схемы можно выразить формулой

(43)

где S макс1 - крутизна транзистора Т1; R i1 , R i2 - динамические сопротивления транзисторов Т1 и Т2 соответственно.

УНЧ НА МИКРОСХЕМАХ

Микросхема типа К2УЭ841 - одна из первых линейных микросхем, освоенных нашей промышленностью. Она представляет собой двухкаскадный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью (повторитель), собранный на полевых транзисторах . Микросхемы этого типа нашли широкое применение в качестве входных каскадов чувствительных широкополосных усилителей, в качестве выносных каскадов при передаче сигналов через кабель, в схемах активных фильтров и других схемах, требующих высокое входное и малое выходное сопротивления и стабильный коэффициент передачи.

Принципиальная электрическая схема такого усилителя изображена на рис. 17, а; способы включения микросхемы - на рис. 17, б, в, г.

Резистор R3 введён в схему для защиты выходного транзистора от перегрузок при коротких замыканиях на выходе. Небольшим уменьшением обратной связи (на рис. 17, в R oс показано пунктиром) можно получать коэффициент передачи, равный единице или несколько больше.

Входное сопротивление повторителей можно значительно увеличить (в 10-100 раз), если осуществить посредством конденсатора С обратную связь в цепь затвора (показано пунктиром на рис. 17, в). При этом входное сопротивление повторителя приблизительно равно:

R вх =R з /(1-К и),

где К и - коэффициент передачи повторителя.

Основные электрические, параметры повторителя следующие:

Промышленностью освоен выпуск гибридных пленочных микросхем серии К226, представляющих собой малошумщцие усилители низкой частоты с полевым транзистором на входе. Их основное назначение - усиление слабых сигналов переменного тока от датчиков с высоким внутренним сопротивлением.

Рис. 17. Микросхема К24Э841.

а - принципиальная схема; б - схема с одним источником питания напряжением 12,6 В; в - схема с двумя источниками питания напряжением +-6,3 В; г - схема с одним источником питания напряжением -6,3 В.

Микросхемы выполнены на ситалловой подложке по гибриднопленочной технологии с применением полевых и биполярных бескорпусных транзисторов.

Микросхемы усилителей низкой частоты разделяются на группы по коэффициенту усиления и уровню шумов (табл. 1). Внешний вид и габаритные размеры представлены на рис. 18.

Принципиальные электрические схемы усилителей приведены на рис. 19, а, б и 20, а, б, а их схемы включения - на рис. 21, а, г. При включении микросхем по схемам рис. 21, а и в входное сопротивление усилителей равно сопротивлению внешнего резистора R i . Для повышения входного сопротивления (до 30 МОм и более) необходимо использовать схемы рис. 21,6, г.

Таблица 1

Рис. 18. Внешний вид и габаритные размеры микросхем К2УС261-К2УС265.

Основные электрические параметры микросхем К2УС261 и К2УС262:

Рис. 19. Принципиальные схемы усилителей.

а - К2УС261; б - К2УС262.

Рис. 20. Принципиальные схемы усилителей.

а - К2УС263; б - К2УС264 (все диоды типа КД910Б).

Основные электрические параметры микросхем К2УС263 и К2УС264:

Рис. 21. Схемы включения усилителей.

Рекомендации по применению микросхем. Частотная зависимость и граничная частота по уровню 0,7 В в области нижних частот при достаточно большой постоянной времени входной цепи определяется внешним конденсатором фильтра отрицательной обратной связи С2 и сопротивлением резистора цепи обратной связи R о.с в соответствии с соотношениями:

Пиковые напряжения на входе микросхем К2УС261, К2УС262 не должны превышать 1 В для положительной полярности и 3 В для отрицательной; на входе микросхем К2УС263, К.2УС264 - не более 2 В для положительной полярности и не более 1 В - для отрицательной.

Сопротивление утечки R1 для входного тока в диапазоне рабочих температур -60 до +70° С не должно превышать 3 МОм. В диапазоне более низких максимальных температур или при снижении требований к значению выходного напряжения сопротивление резистора R1 может быть увеличено с целью повышения входного сопротивления каскада.

Ток утечки входного разделительного конденсатора С1 не должен превышать 0,06 мкА.

Для сохранения максимального выходного напряжения ток утечки конденсатора С2 в диапазоне рабочих температур не должен превышать 20 мкА. Этому требованию удовлетворяет конденсатор типа К52-1А ёмкостью 470 мкФ, ток утечки которого не превышает при данных напряжениях 10 мкА.

ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Обычно полевые транзисторы используются в усилителях совместно с биполярными транзисторами, но их можно также применять и в качестве активных приборов в многокаскадных усилителях звуковой частоты с резистивно-ёмкостной связью. На рис. 22 приведён пример использования полевых транзисторов в схеме RC-усилителя. Схема этого усилителя использовалась для записи звуковых сигналов моря. Сигнал на вход усилителя снимался с пьезокерамического гидрофона Г, а нагрузкой усилителя служил кабель типа КВД4x1.5 длиной 500 м.

Входной каскад усилителя выполнен на полевом транзисторе типа КП103Ж с минимальным коэффициентом шума. Для этой же цели (уменьшения шумов) два первых каскада питаются пониженным напряжением, получаемым с помощью параметрического стабилизатора Д1R8. Благодаря этим мерам уровень шумов, приведённых ко входу, в полосе частот 4 Гц-20 кГц составлял 1,5-2 мкВ.

Для корректировки частотной характеристики усилителя в области высших частот параллельно резисторам R6 и R10 можно подключить соответствующие корректирующие конденсаторы.

Для согласования высокого выходного сопротивления усилителя с низкоомной нагрузкой (кабелем) служит повторитель напряжения на транзисторах Т4, Т5, представляющий собой двухкаскадный усилитель с непосредственной связью. Для устранения шунтирующего действия резисторов смещения R11, R12 вводится положительная обратная связь по переменному току через цепочку R13, С6. Расчётное значение выходного сопротивления такого повторителя 10 Ом.

Для проверки работоспособности и коэффициента усиления усилителя служит генератор калибровки, собранный по схеме симметричного мультивибратора. Генератор калибровки выдает прямоугольные стабилизированные по амплитуде с помощью стабилитронов Д2-Д5 типа Д808 импульсы частотой 85 Гц, которые в момент включения калибратора подаются через гидрофон на вход усилителя. С помощью делителя напряжения на резисторах R16, R17 амплитуда импульсов устанавливалась равной 1 мВ.

Несмотря на простоту схемы усилителя коэффициент усиления изменяется незначительно (около 2%) при изменении окружающей температуры в диапазоне 0-40° С, причём коэффициент усиления при комнатной температуре 20° С был равен 150.

Рис. 22. Принципиальная схема гидроакустического усилителя.

Если же выходное сопротивление первого каскада на полевом транзисторе удается понизить настолько, что становится возможным применение в последующих каскадах обычных биполярнымх транзисторов, то использовать для дальнейшего усиления полевые транзисторы не экономично. В этих случаях применяются усилители, использующие полевые и биполярные транзисторы.

На рис. 23 изображена принципиальная схема усилителя низкой частоты на полевом и биполярном транзисторах, обладающего близкими по отношению к трёхкаскадному RС-усилителю на полевых транзисторах (рис. 22) параметрами. Так, при коэффициенте усиления, равном 150, частотной характеристике по уровню 0,7 от 20 Гц до 100 кГц значение максимального выходного неискаженного сигнала на R н = 3 кОм равно 2 В.

Полевой транзистор Т1 (рис. 23) включён по схеме с общим истоком, а биполярный - по схеме с общим эмиттером. Для стабилизации рабочих характеристик усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току.

На рис. 24 изображена схема усилителя низкой частоты с непосредственными связями, разработанная В. Н. Семеновым и В. Г. Федориным, предназначенного для усиления слабых сигналов от источников с высоким входным сопротивлением. Усилитель не содержит разделительных конденсаторов, поэтому габариты его могут быть малыми.

Параметры усилителя следующие:

Схема представляет собой УПТ со 100%-ной обратной связью по постоянному току; за счёт этого достигается минимум дрейфа и стабильность режимов. Обратная связь по постоянному току вводится через фильтр нижних частот, поэтому нижняя граничная частота усилителя определяется параметрами этого фильтра.

Для стабилизации коэффициента усиления используется отрицательная обратная связь на частоте сигнала глубиной около 20 дБ. Усиление зависит от глубины обратной связи.

Рис. 23. Принципиальная схема УНЧ на полевом и биполярном транзисторах.

Рис. 24. Принципиальная схема УНЧ с непосредственными связями.

Применение обратных связей делает усилитель некритичным к изменению напряжения питания и разбросу параметров транзисторов и всех деталей, кроме R10 и R11. К особенностям схемы можно отнести то, что транзисторы Т3 и Т4 работают с напряжениями U б.э, равными U к.э.

Высокое входное сопротивление усилителя достигается благодаря применению полевых транзисторов. На нижних частотах оно будет определяться сопротивлением резистора R1, на верхних - входной ёмкостью схемы.

А.Г. Милехин

Литература:

1. Полевые транзисторы. Физика, технология и применение. Пер. с англ. под ред. А. Майорова. М., "Советское радио", 1971.
2. Севин Л. Полевые транзисторы. М., «Советское радио», 1968.
3. Малин В. В.‚ Сонин М. С. Параметры и свойства полевых транзисторов. М., «Энергия», 1967.
4. Шервин В. Причины искажений в усилителях на полевых транзнсторах. - "Электроника"‚ 1966, №25.
5. Даунс Р. Экономичный предварительный усилитель. "Электроника", 1972, №5.
6. Холзман Н. Устранение выбросов посредством операционного усилителя. "Электроника", 1971, №3.
7. Гозлинг В. Применение полевых транзисторов. М., «Энергия». 1970.
8. Де Колд. Использование диодов для температурной стабилизации коэффициента усиления полевого транзистора - «Электроника», 1971, №12.
9. Гальперин М. В.‚ Злобин Ю. В.‚ Павлеико В. А. Транзнсторные усилители постоянного тока. М., «Энергия», 1972.
10. Технический каталог. «Новые приборы. Полевые транзисторы. гибридные интегральные схемы». Изд. ЦНИИ «Электроника», 74.
11. Топчилов Н. А. Гибридные линейные микросхемы с высокоомным входом - «Электронная промышленность», 1973, №9.

Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема усилителя.

Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р вх выходная мощность Р вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р вх < Р вых < Ро . Следова­тельно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.

Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве слу­чаев одного элемента недостаточно и в усилителе при­меняют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом . Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов : к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными эле­ ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально не­обходимого набора активных и пассивных элементов.

Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема многокаскадного усилителя.

Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

Источни­ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи­тывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических парамет­ров в электрические.

Нагрузкой являются громкоговорители, электриче­ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами - номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.

Классификация усилительных устройств.

Усилительные устройства классифицируют по различным признакам.

По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:

- Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты = 0 до верхней рабочей частоты . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную со­ставляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

- Усилители напряжения , в свою очередь подразделяются на усили­тели низкой, высокой и сверхвысокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

- избирательные усилители (усилители высокой частоты - УВЧ), для которых действительно отношение частот /1 ;

- широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот />>1 (например УНЧ - усилитель низкой частоты).

- Усилители мощности - оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R вн. к = R н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).

По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микро­схемы (ИМС).

Показатели работы усилителей.

К показателям работы усилителей относятся вход­ные и выходные данные, коэффициент усиления, диапа­зон частот, коэффициент искажений, КПД и другие па­раметры, Характеризующие его качественные и эксплуа­тационные свойства.

К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения U вх = U 1 , тока I вх = I 1 или мощно­сти P вх = P 1 ), входное сопротивление, входная емкость или ин­дуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное со­ противление R вх в сравнении с сопротивлением источ­ника сигнала R и предопределяет тип усилителя; в зави­симости от их соотношения различают усилители напря­жения (при R вх >> R и ), усилители тока (при R вх << R и ) или усилители мощности (при R вх = R и ). Входная ем­ кость С вх , являясь реактивной компонентой сопротивле­ния, оказывает существенное влияние на ширину рабо­чего диапазона частот.

Выходные данные - это номинальные значения выход­ного напряжения U вых =U 2 , тока I вых =I 2 , выходной мощности P вых =P 2 и выходного сопротивления. Выходное сопротивление дол­жно быть значительно меньшим, чем сопротивление на­грузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (ин­дуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие

Коэффициентом усиления называется отношение вы­ходного параметра ко входному. Различают коэффициенты усиления по напряжению K u = U 2 / U 1 , по току K i = I 2 / I 1 и мощности K p = P 2 / P 1 .

Характеристики усилителя.

Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сиг­налы различной частоты и формы. К важнейшим харак­теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот­ная, фазо-частотная и переходная .

Рис. 3. Амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость ампли­туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты (рис. 3.). Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, при­чем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U п , создаваемых самим уси­лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли­туде входного U вых = K* U вх и амплитудная характерис­тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика от­личается от прямой.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а вы­ходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке 4.

Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посред­ством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи уси­лителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная (слева) и принципиальная схема с отрицательной ОС по току (справа).

Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линей­ных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усили­тель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает от­дельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке пред­ставлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.

Модель усилительного каскада.

Усилител ьный каскад - конструктивное звено усилителя - содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.

Один из вариантов транзисторного каскада для усиления пере­менного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа вклю­чен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база - эмиттерсоздается источником с ЭДС Е c и внутренним сопротивлением R c источника. В цепи базы установлены резисторы R 1 и R 2 . Коллектор тран­зистора соединен с отрицательным зажимом источника E к через резисторы R к и R ф . Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С 2 поступает в нагрузку R н . Конденсатор Сф совместно с резистором Rф образует RС -звено фильтра (положительную обратную связь - ПОС ), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике E к с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь - ООС ) можно дополнительно включить RC -фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.

Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.

В этой схеме резистор Rк , включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.

Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, так как емкость Сэ значительна.

При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1 , C2 на разных частотах различно.

Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство.

Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.

В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.

Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2) .

Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока Iк , вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление Rэ . Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.

Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.

Усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

Операционный усилитель (ОУ) - унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

· входное сопротивление стремится к бесконечности;

· выходное сопротивление стремится к нулю;

· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;

· бесконечная полоса усиливаемых частот.

ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ.

На рисунке 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рисунке 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен:

Для инвертирующего Киоу = Rос / R1

Для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1

Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.

К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему и по высокому входному сопротивлению. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя . Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров (истоков) подключен ГСТ (генератор стабильного тока), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку (в этом случае Jвхоу стремится к нулю).

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рисунке слева. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

История операционного усилителя связана с тем, что усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Усилители мощности.

Что же представляет из себя усилитель мощности – далее, для краткости будем называть его УМ? Исходя из вышеизложенного, структурную схему усилителя можно условно разделить на три части:

• Входной каскад
• Промежуточный каскад
• Выходной каскад (усилитель мощности)

Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением - динамическую головку или наушники.

Бывают трансформаторные и бестрансформаторные схемы УМ.

1. Трансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ , в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).

Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:

Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя - усилителя с дополнительной симметрией - приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p -типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.

Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1 , работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 - в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх . Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.

Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E . Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффици­ент полезного действия УМ : n max = P н.max / P потр.max = 0,78.

В устройствах автоматики нагрузкой выходного каскада усилителя низкой частоты может быть электромагнитное реле, электродвигатель или какой-нибудь иной исполнительный механизм. В радиоприемнике или проигрывателе нагрузкой является обмотка динамика.

Выходной каскад, так же как и предварительный каскад. УНЧ, может быть собран на транзисторе по схеме с общим эмиттером. Следует отметить, что, так как сопротивление нагрузки R H обычно гораздо меньше внутреннего сопротивления коллекторной цепи R ef н K , мощность, которая выделяется на нагрузке, включенной непосредственно в цепь коллектора, будет весьма мала. Для того чтобы эта мощность была максимально возможной, необходимо выполнить условие R H -R eHK , т. е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника полезного сигнала. Для этого на практике применяют согласующие трансформаторы (рис. 28). Подобные схемы однотактного транзисторного усилителя мощности с общим эмиттером применяются в том случае, если выходная мощность не превышает 3 - 5 Вт. Нагрузка R H включена через согласующий трансформатор Тр.

Суть согласования состоит в том, чтобы вносимое в первичную обмотку трансформатора из вторичной обмотки сопротивление R Н было равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи R вн.к. или соизмеримо с ним. Тогда при заданных R Н и R eH , K задача сводится к определению коэффициента трансформации к.

Известно, что U 2 /U 1 =W 2 /W 1 =k , а I 2 /I 1 =W 2 /W 1 =k . Таким образом, вносимое в первичную цепь сопротивление

Если принять , то коэффициент трансформации

т. е. трансформатор должен быть понижающим, так как R н <R вн.к .

Рассмотренные схемы предварительного и выходного каскадов УНЧ работают в режиме А. При таком режиме начальное положение рабочей точки О выбирают в середине нагрузочной прямой CD. Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока при этом меньше тока покоя коллектора. Работа в режиме А характеризуется минимальными нелинейными искажениями и низким КПД (порядка 40 %). В этом режиме обычно работают все предварительные и маломощные выходные каскады УНЧ, собранные на одном транзисторе или одной электронной лампе.

В том случае, когда необходимо получить выходную мощность более 5 Вт, применяют

двухтактные усилители, собранные на двух транзисторах или двух лампах.

Рассмотрим работу такого усилителя на транзисторах (рис.29). Усилитель состоит из двух одинаковых половин, каждая из которых аналогична усилителю, представленному на рис. 28.

Особенность двухтактной схемы состоит в том, что ее можно использовать в таком режиме, когда ток покоя коллекторных цепей близок к нулю. Этот режим называется режимом В. При работе в таком режиме КПД усилителя может достигать 70%.Рабочая точка 0’ на входной характеристике должна распологаться в области токов базы, близких к нулю (рис. 30, а). В результате этого обе половины схемы работают поочередно, причем каждаяоткрывается во время действия положительных полупериодов входных напряжений и вх1 и и вх2 , так как они сдвинуты по фазе на 180̊. Импульсы тока баз и коллекторов также сдвинуты на 180̊ (рис. 30, б, в). При этом в магнитопроводе Т р2 образуетсямагнитный поток, близкий к синусоидальному, так как через первичную обмотку трансформатора проходит ток i = i k 1 – i k 2 (рис. 30, г).

Структурная схема полного усилителя низкой частоты УНЧ изображена на Рис.14.

Рис.14 Структурная схема УНЧ.

Входной каскад выделен с группы каскадов предварительного усиления, так как к нему предъявляются дополнительные требования по согласованию с источником сигнала.

Для уменьшения шунтирования источника сигнала R i низким входным сопротивлением усилителя R ВХ~ должно выполнятся условие: R ВХ~ >> R i

Чаще всего входным каскадом является эмиттерный повторитель, в которого R ВХ~ достигает 50 кОм и более или используются полевые транзисторы, обладающие очень большим входным сопротивлением.

Кроме этого входной каскад должен обладать максимальным отношением сигнал / шум, так как он определяет шумовые свойства всего усилителя.

Регулировки позволяют оперативно устанавливать уровень выходной мощности (громкость, баланс) и изменять форму АЧХ (тембр).

Оконечные каскады обеспечивают требуемую выходную мощность в нагрузке при минимальных нелинейных искажениях сигнала и высокой экономичности. Требования к оконечным каскадам определяются их особенностями.

1. Работа усилителя мощности на низкоомную нагрузку акустических систем требует оптимального согласование оконечного каскада с полным звуковым сопротивлением АС: R ВЫХ~ ≈ R Н .

2. Оконечные каскады потребляют основную часть энергии источника питания и экономичность для них является одним из основных параметров.

3. Доля нелинейных искажений, вносимых оконечными каскадами, составляет 70…90%. Это учитывается при выборе их режимов работы.

Предоконечные каскады . При больших выходных мощностях усилителя назначение и требования к предоконечным каскадам аналогичны оконечным каскадам.

Кроме этого, если двухтактные оконечные каскады выполнены на транзисторах одинаковой структуры, то предоконечные каскады должны быть фазоинверсными .

Требования к каскадам предварительного усиления вы­текают из их назначения - усиливать напряжение и ток, создавае­мые источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.

Поэтому наиболее важными показателями для многокаскадного предварительного усилителя являются: коэффициент усиления напряжения и тока, частотная характеристика (АЧХ) и час­тотные искажения.

Основные свойства каскадов предварительного усиления:

1. Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и могут не учитываться.

2. Построение каскадов предварительного усиления по однотактным схемам требует применения в нихнеэкономичного режима А, что практически не сказывается на общей экономичности усилителя из-за малых значений токов покоя транзисторов.

3. Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяю­щая получить наибольшее усиление иимеющая достаточно большое вход­ное сопротивление, так что каскады можно соединить без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.

4. Из возможных способов стабилизации режима в предварительных каскадах наибольшее распространение получила эмиттерная стабилизация как наиболее эффективная и простая по схеме.

5. Для улучшения шумовых свойств усилителя, транзистор первого каскада выбирают малошумящим с большим значением статического коэффициента усиления по току h 21э >100, а его режим по постоянному току должен быть сла­боточным I ок = 0,2…0,5 мА, а сам транзистор для повышения входного сопротивления УНЧ включают по схеме с общим коллектором (ОК).

Для исследования свойств предварительных каскадов уси­ления составляется эквивалентная электрическая схема их по перемен­ному току. Для этого транзистор заменяется схемой замещения (эк­вивалентным генератором Е ВЫХ , внутренним сопротивлением R ВЫХ ,проходной емкостью С К ),а к нему подключаются все элементы внеш­ней цепи, влияющие на коэффициент усиления и АЧХ (частотные ис­кажения).

Свойства предварительных каскадов усиления определяют­ся схемой их построения: с емкостной или гальванической связями, на биполярных или полевых транзисторах, дифференциальные , каскодные и другие специальные схемы.