Требования к усилителям мощности

Усилители постоянного тока, особенности их работы, варианты схем построения. Явление дрейфа нуля и способы его уменьшения

Они предназначены для усиления медленно изменяющихся сигналов, частота которых приближается к нулю. АЧХ имеет след вид:

Н а входе усилителя, выхо-де, и для связи между кас-кадами нельзя ис-пользовать емкости и трансформаторы. Исполь-зуют только непосредственные связи или резистивные. Однако при этом возникают сложности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих в режиме покоя

Данная схема усилителя постоянного тока обладает след недостатком: источник входного сигнала и нагрузка непосредственно не могут быть подключены к общей точке (земле). Это создает технические трудности при эксплуатации. Для обеспечения условия, когда Uвых = 0; Uвх =0 необходимы два переменных подстроечных резистора

Данная схема обеспечивает возможность заземления и источника входного сигнала и приемника сигнала. Недостаток: наличие 2-х источников питания. Общий недостаток для всех усилителей постоянного тока явл-ся явление дрейфа нуля. Это явление связано с тем, что температурные изменения ВАХ-к и причины другого рода вызывают появление Uвых при Uвх=0. Факторами появления дрейфа нуля явл-ся: старение транзистора, эл/магн поля, атмосферные явления. Для борьбы с дрейфом нуля используют 3 основных способа:

1) использование высокоста-бильных источников питания и термостатирование (изоля-ция от внеш среды). Исполь-зование этого способа дает стабильность выходного на-пряжения на уровне ?5-20 мВ. в диапазоне -50?С … +50?С – это при условии, что температура автоматически поддер-живается с точностью ?1?С и напряжение источника пита-ния поддерживается с точно-стью ?0,01%

2) использование дифф (баланс-ных) схем усилителей. Ис-пользование этого способа удается снизить дрейф до 0,1-2 мВ, т.е. примерно в 20-100 раз меньше, чем в 1-м способе.

3) МДМ. Способ заключается в след: медленно изменяющийся сигнал от источника (датчика) наполняется высокочастотной составляющей порядка нескольких кГц. Далее этот сигнал подается на вход усилителя переменного тока, где увеличивается в к раз. На выходе усилителя переменная составляющая от-фильтровывается, т.е. происходит демодуляция и амплитуда этого сигнала – это и есть входной сигнал.

13

Схема усилителя на биполярном транзисторе, выполненного по схеме с общим эмиттером

Требования к усилителям мощности

Выходные каскады должны обладать большой перегрузочной способностью по току. Это позволит без искажений воспроизвести пики сигнала. В схеме усилителя должны быть предусмотрены средства защиты выхода от перегрузок по току (автоматические предохранители), а также защита АС при выходе усилителя из строя. Желательно обеспечить возможно более высокий КПД. Крайне желательно использование сглаживающих конденсаторов большой емкости, установленных в непосредственной близости от усилителя. Конденсатор играет роль фильтра и дополнительного источника питания на пиках мощности. Монтаж цепей питания и, особенно, выходных цепей должен быть выполнен проводами правильно подобранного сечения. Чем больше потребляемый ток и длина провода, тем больше должно быть его сечение.

Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе транзистора V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер - через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база - эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 - 200 - кратное усиление сигнала по напряжению и 20 - 100 - кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения транзистора по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление - всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р - n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств транзистора.

14

Схема усилителя на биполярном транзисторе, выполненного по схеме с с общим коллектором

Основная схема усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером.

Принципиальная схема простейшего транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером приведена на рис.1. Источники постоянного напряжения Ек и Еб вместе с резисторами Rк и Rб обеспечивают статический режим транзистора. Источник сигнала изображен вместе со своим внутренним сопротивлением Rс.

Рис. 1

Внутренние сопротивления источников постоянного напряжения Ек и Еб обычно малы и не изображены на схеме. Нагрузка представлена комплексным сопротивлением, обычно включающим в себя резистивную Rн и емкостную Сн составляющие.

Резистор Rк предназначен для выделения на нем усиленного выходного напряжения, так как напряжение между коллектором и эмиттером может меняться лишь при наличии на пути изменяющегося коллекторного тока сопротивления. Конденсаторы Cр обеспечивают независимость каскада по постоянному току от источника сигнала и нагрузки, поэтому они называются разделительными.

Все напряжения и токи в схеме складываются из постоянных и переменных составляющих. Если на входе действует источник гармонической ЭДС, то ec(t) = E(m,c)сos(w t+j с) . Непосредственно на входных зажимах усилителя действует напряжение uвх(t)=U(m,вх) сos(w t+j вх), которое может отличаться от напряжения источника сигнала амплитудой и фазой. Если транзистор будет работать в линейном режиме, то напряжение между базой и эмиттером будет также гармоническим и равным uбэ(t)=U(бэ,0)+U(m,бэ)сos(w t+j бэ) , где Uбэ,0 - постоянное напряжение на базе относительно эмиттера (смещение перехода база–эмиттер). Токи базы и коллектора в этом случае соответственно равны iб(t)= I(б,0)+I(m,б)сos(w t+j б) , iк(t)= I(к,0)+I(m,к)сos(w t+j к). Коллекторное напряжение будет равно u(кэ(t))=U(кэ,0)+U(m,кэ) сos(w t+j кэ ). На выходе присутствует лишь переменная составляющая сигнала, поэтому uвых(t)=Um,вых сos(w t+j н) . В общем случае фазы токов и напряжений могут отличаться от фазы входного сигнала.

Для данной схемы усилителя режим постоянного тока транзистора определяется соотношениями:

для входной цепи

и для выходной цепи

Поскольку биполярный транзистор ОЭ в усилительном режиме имеет одинаковую полярность постоянных напряжений Uбэ,0 и Uкэ,0, то для создания требуемой величины Uбэ,0 может быть использован всего один источник Ек.

Включение транзистора по схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора - ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 - 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор - эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.

15

Схема усилителя на биполярном транзисторе, выполненного по схеме с общей базой

Схемотехнические особенности усилителя мощности на биполярном транзисторе, выполненная с общим коллектором

Схема усилителя ОК изображена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11. Усилитель ОК

Расчет элементов схемы по постоянному току практически не отличается от подобного расчета элементов усилителей ОЭ. После выбора рабочей точки (рисунок 4.11, б), определяющей режим работы каскада, а также тока делителя в цепи базы (соотношение (4.16)) находят сопротивления резисторов:

(4.31)

В отличие от усилителя по схеме ОЭ схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если на вход эмиттерного повторителя подать увеличивающееся напряжение, то это приведет к увеличению эмиттерного тока транзистора и соответствующему увеличению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Переменное напряжение, снимаемое с Rнэ, через разделительный конденсатор Ср2 проникает в нагрузку. Эквивалентная схема каскада по переменному току представлена на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12. Эквивалентная схема усилителя ОК

На схеме штриховой линией изображено выходное сопротивление источника питания Rи. Как было указано ранее, оно незначительно и им пренебрегают. Поэтому коллектор транзистора оказывается заземленным, т.е. он является общим для входной и выходной цепи. Что и объясняет наименование усилителя (усилитель ОК), хотя из рисунка 4.11, а этого явно не видно.

По сравнению с предыдущими схемами делитель в цепи базы представлен своим эквивалентным сопротивлением Rд, которое вычисляется выражением:

.,(4.32)

Определим входное сопротивление транзистора подобно тому, как это было сделано в разделе 4.7:

,(4.33)

где Rн экв – эквивалентное сопротивление нагрузки:

. (4.34)

Выражение (4.33) говорит о том, что в эмиттерном повторителе можно получить очень большие значения входного сопротивления. Это является одним из основных достоинств каскада ОК.

Окончательное выражение (4.33) было получено на основе учета того, что

.

Считая, как и для предыдущих схем, что весь ток выходного электрода (эмиттера) идет в нагрузку, получаем выражение для определения коэффициента усиления по току:

. (4.35)

Проведем некоторые очевидные преобразования коэффициента усиления по напряжению:

. (4.36)

Следовательно, напряжение сигнала на выходе при подключении нагрузки в цепь эмиттера не увеличивается – оно практически равно входному (в упрощениях при выводе соотношения (4.36) не было учтено входное сопротивление делителя Rд). Этим объясняется наименование усилителя – эмиттерный повторитель.

Аналогично усилителю ОЭ спад усиления на низших частотах эмиттерного повторителя определяется действием Ср1 и Ср2, а на высших – параметрами транзистора. При выборе разделительных емкостей пользуют соотношения, аналогичные приведенным ранее.

Выходное сопротивление каскада

.

Из сказанного следует, что каскад эмиттерного повторителя наиболее удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой (Rвх – велико, Rвых – мало, Ki – велико).

Малое выходное сопротивление каскада делает его идеальным при согласовании усилителя с емкостной нагрузкой. Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению - такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 - 200). Из - за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

16