Резистивні підсилювачі низької частоти

Підсилювачами називаються пристрої, в яких порівняно малопотужний вхідний сигнал управляє передачею значно більшої потужності з джерела живлення. Все різноманіття підсилювачів розділяють по наступних ознаках:

- за типом вживаного активного елементу (на лампах, транзисторах, параметричні);

- залежно від смуги частот, що підсилюються (УПТ, УНЧ, УПЧ, УВС) ;

- за призначенням (підсилювачі струму, напруги, потужності);

- за виглядом навантаження підсилювального елементу (резистивні, трансформаторні, резонансні);

- за способом включення підсилювального елементу в схему (із загальним емітером, із загальною базою, із загальним колектором).

Останніми роками підсилювачі випускають у вигляді мікросхем. Простий устрій, що дозволяє здійснити посилення, називаєтьсяпідсилювальним каскадом.

Принцип роботи каскаду по схемі із загальним емітером

При схемному зображенні транзистора і джерел цей каскад приймає вид рис. 6 а.

Рис. 6

Для аналізу принципу роботи каскаду побудуємо його передавальну характеристику   (рис.6 б).

Із збільшенням вхідного сигналу (Uбэ) росте струм бази Iб, а значить і струм колектора, причому

Форм. 22

Струм колектора створює падіння напруги на резисторі Rk  причому     також на диференціальному опорі ділянки колектор-емітер транзистора -   причому завжди 

Зростання струму колектора означає зменшення Rкэ, а значить і Uкэ. При цьому на постійному опорі резистора падіння напруги збільшується. Оскільки диференціальний опір Rкэ обчислювати складно, падіння напруги на ділянці колектор-емітер транзистора знаходять як різниця

Форм. 23

І так, із збільшенням струму колектора Iк збільшується падіння напруги на резисторі Rк і зменшується напруга Uкэ, тобто вихідна напруга каскаду (рис. 6 б ).

Коли струм колектора досягає насичення   (тобто максимального значення)напруга на ділянці колектор-емітер транзистора досягає найменшого значення. Це значення називають напругою насичення - Uкэн, причому 

Як правило, ця напруга складає десяті долі вольта, воно нехтує мало порівняно з Ек, тому іноді їм нехтують, вважаючи  Подальше збільшення Uбэ не може викликати змін струму Iк і напруга Uкэ.

Передавальна характеристика дозволяє розглянути різні режими роботи підсилювального каскаду (класи посилення). При роботі в класі «В» напруга   (див. рис. 6 б). На вихід передається сигнал тільки одній полярності. При подачі на вхід двохполярного сигналу частина інформації буде втрачена.

При роботі в класі «А» напруга 

Тут Uсм - напруга зсуву, постійна величина, не залежна від Uвх. Коли Uвх= 0, Uбэ = Uсм. Такий режим називають режимом спокою, а струми Iб, Iк і напруга Uбэ і Uкэ називають струмами і напругою спокою і позначають Iбп; Iкп; Uбэп; Uкэп.

Напругу зсуву Uсм вибирають так, щоб робоча точка транзистора Т знаходилася в середині лінійної ділянки II. В цьому випадку будь-який приріст вхідної напруги викличе пропорційний інверсний приріст вихідної напруги «В» напруга  де Кu - коефіцієнт посилення.

При роботі в класі D на вхід каскаду подається великий сигнал (пунктир на рис. 6). Сигнал, що передається обмежується зверху і знизу. Такий режим широко застосовується в імпульсній техніці.

Щоб забезпечити посилення каскаду в класі А, на базу транзистора необхідно подати напругу зсуву Uсм. Це забезпечують спеціальні схеми, які називають схемами зсуву. Розглянемо найбільш часто вживані схеми.

Схема зсуву з фіксацією струму бази (рис. 7 а). Фіксація струму бази Iб досягається, коли в ланцюг бази включається резистор Rб з великим опором.

Рис. 7

Для ланцюга бази справедлива рівність

Форм. 24

Звідси

Форм. 25

З (24) витікає, що струм спокою бази визначається величиной зовнішнього опору Rб, не залежить від параметрів транзистора і є фіксованою величиною.

Схема з фіксацією напруги бази (рис. 7 б). Для ланцюга бази в цій схемі справедлива рівність

Форм. 26

Звідси

Форм. 27

де   - струм дільника.

Щоб напруга зсуву Uбэ не залежала від параметрів вхідного ланцюга транзистора, струм дільника Iд необхідно вибирати значно більше струму бази Iб. Зазвичай   Тоді

Форм. 28

і не залежить від струму бази. Велике значення струму дільника І_б приводить до необхідності додаткових витрат енергії джерела живлення.

Диференціальний підсилювач

Розглянутий підсилювач по схемі із загальним емітером застосовується достатньо широко, але має ряд недоліків - мале вхідне і велике вихідне опори, залежність коефіцієнта посилення від параметрів навантаження. Ці недоліки частково або повністю виключені в диференціальному підсилювачі.

Проста схема диференціального каскаду приведена на рис. 8.

Рис. 8

Транзистори Т₁ і Т₂, а також резистори Rк₁ і Rк₂ утворюють міст. У діагональ 1 - 1' моста включені джерела живлення + Ек і - Ек, а також Rэ. У діагональ 2 - 2' включено навантаження - R_H. Для нормальної роботи каскаду міст повинен бути строго збалансований, тобто Rк₁ = Rк₂, а транзистори повинні мати однакові параметри, тобто повинні бути виготовлені за однією технологією на одному кристалі. Тому диференціальні каскади виготовляють в заводських умовах у вигляді мікросхем

Хай   Струми транзисторів Т₁ і Т₂ створюють на опорі Rэ падіння напруги URэ, причому

Форм. 29

Ця напруга є напругою зсуву для обох транзисторів. Оскільки параметри транзисторів однакові, то і струми транзисторів однакові тобто

Форм. 30

Рівні колекторні струми створюють на рівних опорах Rк₁ і Rк₂ рівні падіння напруги Uк₁=Uк₂. Тому

Форм. 31

Резистор Rэ утворює ланцюг ООС по струму, забезпечує температурну стабілізацію і усуває дрейф нуля ( відхилення Uвих від нуля за рахунок нестабільності Ек).

Джерело сигналу може підключатися до входу одного з транзисторів (при цьому вхід іншого транзистора заземляється), або між базами двох транзисторів. Розглянемо перший варіант включення.

Хай джерело сигналу е(t) включене до входу транзистора Т₁, тобто Uвх₁ = е. Вхід транзистора Т₂ заземлений. . Хай також е > 0.

Під впливом вхідного сигналу збільшуються: струм бази   ; струм колектора   і струм емітера  першого транзистора. Приріст струму емітера   викликає приріст падіння напруги URe (см.29), тобто напруга ООС на ділянці база-емітер транзистора Т₂ і зменшить струм Iэ₂ так, що

Форм. 32

Отже

Форм. 33

Таким чином, завдяки ООС по струму, дія сигналу на вхід один з транзисторів викликає рівні по величині і протилежні по знаку зміни струмів і напруги в обох транзисторах.

Відзначимо, що при подачі сигналу на вхід транзистора Т₂ фізичні процеси каскаду не зміняться. Проте полярність вихідного сигналу буде протилежною вхідному.

Тобто у зв'язку з цим вхід транзистора Т₁ називають прямим, а вхід транзистора Т₂ - інверсним. Крім того, до входів транзисторів можна підключати незалежні джерела сигналів Uвх1 і Uвх2. В цьому випадку вихідний сигнал (у класі А) може бути знайдений методом суперпозиції від дії кожного з сигналів.

Оцінимо основні параметри каскаду. Для цього врахуємо, що за рахунок ООС завжди   а прирости струму бази протікають через вхідні ланцюги (ділянки база - емітер) двох транзисторів. Значить

Форм. 34

Тоді

Форм. 35

Якщо   то

Форм. 36

З (36) витікає, що ООС не впливає на коефіцієнт посилення каскаду. Отже Rэ може бути достатнє великим.

Вхідний опір каскаду визначимо з врахуванням (34)

Форм. 37

Аналогічно знайдемо, що і 

Таким чином, диференціальний каскад має в два рази більші опори Rвх і Rвих, а його коефіцієнт посилення не залежить від значення Rэ.

Операційний підсилювач

Сучасні розробники електронної апаратури прагнуть використовувати готові функціональні вузли у вигляді інтегральних мікросхем (ІМС). Схемні вирішення ІМС ретельно пропрацювали і забезпечують високу якість апаратури. Підприємства, що випускають мікросхеми, зацікавлені в їх збуті. Тому вони прагнуть розробити універсальні мікросхеми, які можна застосовувати як різних функціональних вузлів. Це підвищує їх попит. Одним з таких ІМС є операційний підсилювач (ОП).

ОП має надзвичайно високий коефіцієнт посилення по напрузі (десятки і навіть сотні тисяч), великий вхідний опір (сотні кОм), малий вихідний опір ( десятки - сотні Ом). Він підсилює широкий спектр чистоти, аж до постійної складової.

Схемне позначення ОП приведене на рис 9 а. На рис. 9 б приведена спрощена структурна схема. Вона включає симетричний диференціальний каскад (по схемі рис. 7), несиметричний диференціальний каскад (у нього сигнал знімається з колектора T₂) і емітерний повторювач, Перші два каскади забезпечують високий коефіцієнт посилення, а третій каскад - малий вихідний опір.

Рис. 9

Недоліки операційного підсилювача:

1. Коефіцієнт посилення ОП Кu міняється від екземпляра до екземпляра в дуже широких межах. Наприклад, для ОП серії К153уд1

2. Коефіцієнт посилення Кu сильно залежить від температури навколишнього середовища. Це обумовлено залежністю від температури коефіцієнта передачі струму бази транзисторів - 

Така нестабільність Кu сильно утрудняє застосування ОП безпосередньо як підсилювач. Крім того, велике значення Кu обмежує лінійна ділянка передавальної характеристики ОП дуже малою напругою по входу (див. рис.9 а). Наприклад, якщо Кб =20000, а максимальна напруга на виході ОП   то максимально допустимий діапазон змін вхідної напруги лежить в межах   При збільшенні вхідної напруги за ці межі вихідне не змінюватиметься. З'являються нелінійні спотворення сигналу.

Значно зменшити недоліки ОП дозволяє застосування ОК. Схема ОП з ОК приведена на рис. 9 б. Вхідний сигнал подається на прямий вхід ІМС. З виходу ОП напруга ОК через дільника R₁R₂ поступає на інвертуючий вхід ОП

Форм. 38

Вихідна напруга ОП представляється різницею Uвх - UОС. Така ОС називається негативною ООС.

При високих значеннях Кu різницею (Uвх- UOC) можна нехтувати, вважаючи 

Тоді коефіцієнт посилення ОП з ООС Кuoc легко визначити з врахуванням (38)

Форм. 39

Бачимо, що Кuoc визначається лише відношенням опорів (R₁ + R₂) /R₁ і не залежить від Кu, тобто всі дестабілізуючі чинники ліквідовані. У практичних схемах значення опорів слід вибирати в межах 

Наприклад, при   Кuос = 101.

Тепер передавальна характеристика ОП з ОС матиме достатньо велику область лінійної ділянки. Для наших прикладів діапазон вхідного сигналу розширюється до значення