Типовые узлы электронных схем

Электронные усилители

3.1.1. Классификация электронных усилителей

 

Электронный усилитель – устройство, увеличивающее мощность электрических сигналов.

Формы выходного и входного сигналов совпадают, увеличение мощности выходного сигнала осуществляется за счет мощности источника питания.

Структурная схема однотактного усилителя может быть представлена в виде:

Uвх

Iвх

Rн

Uвых

~E

Источник питания

Rис

Rвых

Rвх

Eвых

Iн

 

Рис.3.1. Структурная схема однотактного усилителя

 

По назначению усилители делятся на:

2. Усилители напряжения: R_вх ≫ R_ис и R_вых ≪ R_н.

3. Усилители тока: R_вх ≪ R_ис и R_вых ≫ R_н.

4. Усилители мощности: R_вх ≈ R_ис и R_вых ≈ R_н.

Иногда режимы работы усилителя по входу и выходу не совпадают: усилитель мощности с потенциальным входом.

По виду усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

По характеру изменения во времени усиливаемого сигнала различают усилители постоянного тока (УПТ) и переменного тока.

В зависимости от рабочего диапазона частот различают усилители низкой частоты и высокой частоты.

По ширине полосы усиливаемых частот различают:

1. Избирательные усилители f _в / f _н < 1,1.

2. Широкополосные f _в / f _н > 1000.

Усилители постоянного тока и импульсные относятся к широкополосным.

Под условной полосой пропускания понимают диапазон частот, на границах которого уровень сигнала не ниже максимальной амплитуды.

К основным характеристикам ЭУ относятся: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, коэффициент нелинейных искажений γ, частотная , фазовая φ(f) и переходная.

Коэффициент усиления и КПД (η):

 

Для многокаскадных усилителей:

 

Иногда коэффициент усиления выражают в логарифмическом масштабе.

 

Различают электрический и полный коэффициенты полезного действия.

Электрический КПД:

Р – полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

Р₀ – мощность, потребляемая коллекторной цепью от источника.

Полный КПД:

где Р_общ – мощность, потребляемая всеми цепями усилителя.

Входное и выходное сопротивления:

– действующие значения напряжения и тока на входе усилителя.

– сопротивление между входными зажимами усилителя переменному току.

Выходное сопротивление R_вых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке и Е_вх = 0.

В реальном усилителе выходной сигнал кроме временной задержки ∆t

которая не вносит изменений в форму сигнала, содержит нелинейные и линейные искажения. Их источниками являются нелинейность ВАХ элементов и зависимость коэффициента передача по току α и сопротивлений реактивных элементов от частоты.

Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений:

 

 

Нелинейные искажения растут с увеличение амплитуды входного сигнала.

Амплитудная характеристика усилителя становится нелинейной с некоторого значения .

 

 

Рис.3.2. Амплитудная характеристика усилителя

 

– динамический диапазон усилителя.

Характер линейных искажений оценивают по амплитудно-частотной (АЧХ) и фазово-частотной (ФЧХ) характеристикам усилителя.

Обычно частотные искажения рассматривают на границах частотного диапазона и оценивают коэффициентами частотных искажений.

 

Идеальная АЧХ

f

АЧХ

Кв

К0

Кн

К

 

Рис.3.3. Амплитудно-частотная характеристика

 

φ

-φ

f

Идеальная ФЧХ

 

 

Рис.3.4. Фазо-частотная характеристика

 

Фазовые искажения не вносят изменений в спектральный состав сигнала. Как и амплитудные искажения фазовые растут с ростом амплитуды входного сигнала.

Нелинейные искажения определяются следующими причинами и факторами:

1. Уровнем входного напряжения (или ЭДС Е_вх.);

2. Нелинейностью входных ВАХ транзистора;

3. Отношением внутреннего сопротивления источника входного сигнала к входному сопротивлению усилителя R_вн ⁄ R_вх.ус.;

4. Нелинейностью выходных характеристик транзистора;

5. Схемой включения транзистора.

Зависимость коэффициента нелинейных искажений

 

от отношения R_вн\R_вх.ус. имеет для схемы с ОЭ вид, изображенный ниже. Оптимальным является отношение

%

γΣ

 

Рис.3.5. Уровень нелинейных искажений в функции отношения

 

Линейные искажения в усилителях в основном объясняются зависимостью коэффициента передачи по току α и реактивных сопротивлений элементов схемы от частоты. Линейные искажения оценивают по АЧХ и ФЧХ. Реально гармоники входного сигнала усиливаются усилителями не одинаково и в сумме дают искажение формы и амплитуды выходного сигнала.

 

3.1.2. Режимы работы транзистора в усилителе

 

Как было сказано ранее, электронные усилители предназначены для усиления электрических сигналов. Однако, прежде чем подать на вход усилителя подлежащий усилению сигнал, необходимо обеспечить начальный, статический режим по постоянному току. Например, в схеме с общим эмиттером начальный режим характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами U_КЭНи I_КН. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения НРТ. В настоящее время нашли применение три способа задания положения НРТ:

1. с фиксированным током базы;

2. с коллекторной стабилизацией;

3. с эмиттерной стабилизацией.

1. С фиксированным током базы

Iб

Rб

Rк

Uэк

Uбэ

Iк

Eк

+

–

 

 

Рис.3.6. Схема задания положения НРТ фиксированным током базы

 

Из схемы следует:

 

 

Получено уравнение динамической нагрузочной характеристики. Совместно со статическими выходными характеристиками транзистора:

Iб6

Iб5

Iб4

Iб3

Iб2

Iб1

Iб0

Uэк

A

UКЭН

Iк

IКН

Eк/Rк

·

·

·

·

B

Ек

НPТ

 

 

Рис.3.7. Динамическая нагрузочная характеристика

 

Для внешнего контура схемы:

 

 

 

Учитывая, что , получим:

 

 

Как следует, ток базы “фиксирован” и задается R_б и Е_к. При этом:

 

Начальная рабочая точка определится пересечением выходной динамической характеристики и статической I_б = I_б3. Очевидно, при изменении R_б = 0···∞ положение НРТ будет меняться от А до В. Этот способ применяется редко, так как при воздействии дестабилизирующих факторов (Т,U) меняется и положение НРТ, а во вторых – требуется индивидуальный подбор R_б для транзисторов с разными β.

 

 

2. С коллекторной стабилизацией

Rб

Iб

Eк

Uэк

Iк

Rк

 

Рис.3.8. Схема с коллекторной стабилизацией.

 

Эта схема обеспечивает лучшую стабилизацию начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению. Например, с ростом температуры Т°К начнет расти ток I_K и падение напряжения U_RK, что в свою очередь вызовет уменьшение U_эк = Е_K – U_RKи, следовательно, тока базы:

 

Это будет препятствовать значительному росту тока I_K:

3. С эмиттерной стабилизацией

Cэ

Rэ

URэ

Uэб

Iб

R1

Rк

Iк

Uэк

Eк

–

+

UR2

R2

 

 

Рис.3.9. Схема с эмиттерной стабилизацией.

 

Основная идея – стабилизация тока эмиттера I_э ≃ I_к.

Падение напряжение U_Rэ= U_R2– U_эб ≃ (0.2 Eк)

Если под воздействием дестабилизирующих факторов увеличится I_к ≈ I_э2., то уменьшится ток базы, что вернет ток I_к к его прежнему значению:

В схеме используется низкоомный делитель напряжения R₁ – R₂, чтобы

Если одно из сопротивлений делителя [R (t)] взять нелинейным R(t), то при изменении температуры автоматически будет изменяться и напряжение смещения в нужном направлении.

Различают такие режимы работы усилителя: А, АВ, В, С и D.

Степень нелинейных искажений усиливаемых сигналов и КПД усилительного каскада определяются выбором режима его работы (класса).

В режиме класса A рабочая точка не выходит за пределы линейного участка проходной динамической характеристики [I_вых = f (U_вх)], а точка покоя НРТ находится примерно на середине этого участка.

IK

UK

Угол 2ϴ = 360°, IКН > 0

·

·

IКН

НPТ

UКН

 

2ϴ = 2π

UВХнНРТ

ωt

UВХ т НРТ

– UВХНРТ

НРТ

IВЫХн НРТ

ωt

IВЫХ т НРТ

IВЫХ

ωt

Рис.3.10. Положение НРТ в режиме класса А

 

 

Рис.3.11. Проходная динамическая характеристика. Режим класса A

 

Напряжения начального смещения U_ВХнв этом режиме всегда по модулю больше амплитуды входного сигнала:

U_ВХн> U_{ВХ т} ; (3.24)

 

и ток покоя I_ВЫХнне больше амплитуды выходного тока:

I_ВЫХн > I_{ВЫХ т} . (3.25)

 

Так как в выходной цепи усилителя протекает ток в течение всего периода изменения напряжения усиливаемого сигнала, КПД невелик ≤30%. В этом режиме работают каскады предварительного усиления.

В режиме класса B напряжение начального смещения U_ВХнвыбирается таким, чтобы НРТ находилась в самом начале проходной динамической характеристики.

При наличии входного сигнала ток в выходной цепи каскада протекает в течение половины периода изменения входного сигнала с углом отсечки 2ϴ ≃ π. Так как при отсутствии входного сигнала выходной ток пренебрежимо мал I_ВЫХн≈ 0, то КПД усилителя значительно выше η = 60 – 70%. Однако этот режим – класс B – характеризуется значительно большими нелинейными искажениями.

2ϴ≃ π

ωt

НРТ

IВЫХ

IВЫХ т НРТ

ωt

UВХнНРТ

– UВХНРТ

 

 

Рис.3.12. Проходная динамическая характеристика. Режим класса B

 

При работе усилительного каскада в режиме класс С начальное напряжение смещения U_ВХнвыбирается таким, чтобы НРТ лежала левее начала проходной динамической характеристики.

При этом ток покоя равен нулю. Здесь угол отсечки . КПД достигает 85%. Этот режим применяется в оконечных каскадах большой мощности, имеющих избирательную нагрузку (резонансный LС – контур).

При такой нагрузке уровень нелинейных искажений выходного сигнала значительно снижается.

 

ωt

UВХнНРТ

UВХ т НРТ

– UВХНРТ

НРТ

2ϴ<π

IВЫХ т НРТ

ωt

IВЫХ

 

 

Рис.3.13. Проходная динамическая характеристика. Режим класс C

 

3.1.3. Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с ОЭ

 

Наиболее распространенная схема включения транзистора p-n-p типа в усилительный каскад с ОЭ.

С1

Eи

Rи

Uвх

Iд

R2

R1

Rэ

Uбэ

Iб

Iб+Iд

Iк

Iэ

Uэк

Сэ

Rн

Uвых

Rк

С2

–Eк

Eк

+Eк

 

Рис.3.14. Схема включения транзистора p-n-p типа

в усилительный каскад с ОЭ

 

При выполнении схемы на транзисторе n-p-n типа изменяют полярность источника питания Е_к.

Усилительный каскад содержит: транзистор с сопротивлением коллекторной нагрузки R_к; цепь напряжения смещения (делитель R₁ и R₂); цепь температурной стабилизации положения точки покоя (R_э и С_э) и две переходные цепи С₂R_н и С₁R_вх.пер.

 

где

 

R – эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов R₁ и R₂ по переменному току.

 

 

– собственное входное сопротивление усилительного каскада без делителя R₁ – R₂.

Входное усиливаемое переменное напряжение подводится к входу усилителя через разделительный конденсатор С₁, который препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, поддерживая неизменным режим работы транзистора по постоянному току.

При анализе свойств усилителя применим метод наложения: раздельно рассмотрим работу в режиме постоянного тока и режиме переменного тока.

Расчет по постоянному току.

В схеме с эмиттерной стабилизацией ток базы определяется при отсутствии входного переменного сигнала (Е_и = 0) напряжением

 

Предположим, что при заданном значении ЭДС питания (Е_к), мощности каскада требуется обеспечить начальный режим работы (класс) при заданном начальном постоянном токе I_КН.

Напряжение на резисторе R_Э стабилизации положения НРТ принимают равным:

 

Учитывая, что I_Э = I_К, находят R_Э:

 

Затем находят сумму сопротивлений R_К + R_Э:

 

Резистор R_К определяют из суммы:

 

Максимальный ток базы, соответствующий максимальному коэффициенту передачи тока базы в схеме с ОЭ.

 

Для уменьшения влияния тока базы на положение НТР ток делителя принимают на порядок больше:

 

При этом сумма сопротивлений R₁ + R₂ определяется так:

 

Напряжение на резисторе R₂ (U_R2) зависит от материала транзистора:

- для кремниевых транзисторов U_БЭ ≃ (0,6…0,7)V,

- для германиевых транзисторов U_БЭ ≃ (0,3…0,4)V.

Тогда

 

и

 

Окончательно сопротивление резистора R₁:

 

Изложенный порядок позволяет определить R_К, R_Э, R₁ и R₂ на предварительном этапе проектирования до применения математического моделирования.

Для анализа работы усилительного каскада по переменному току воспользуемся эквивалентной схемой транзистора в области средних частот:

rЭ

r´К

IБ

IЭ

βIБ

I´К

IК

К

Б

Э

rБ

 

 

Рис.3.15. Эквивалентная схема транзистора в области средних частот

 

Обратный ток теплового насыщения схемы с ОЭ составляет пренебрежимо малую величину и им обычно пренебрегают.

Для анализа усилительных свойств каскада по переменному току воспользуемся эквивалентной схемой замещения транзистора с ОЭ.

Uвых

Rк

Rн

Iн

Iк

Iк´

rк´

βIБ

rэ

Iэ

R

Rвх

IБ

rБ

~ Eн

Rвн

≫

При анализе работы усилительного каскада в область средних частот сопротивления разделительных конденсаторов С₁ и С₂ являются пренебрежимо малыми.

 

Рис.3.16. Т – образная схема замещения транзистора в сочетании

с эквивалентной схемой усилительного каскада

 

Здесь r_э – дифференциальное сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода (единицы-десятки Ом)

r_Б – сопротивление цепи базы (единицы десятки Ом)

r_к´ – дифференциальное коллекторное сопротивление по схеме с ОЭ (сотни килом):

 

r_к – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода по схеме с ОБ.

β – коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

βI_Б – эквивалентный источник тока (базы) – характеризует передачу тока из базы в коллектор.

Из схемы замещения можно получить:

 

Подставим из (3.33) в (3.34) и найдем :

 

Из (3.32) с учетом (3.35):

Из (3.31) с учетом (3.36):

 

и

– эквивалентное сопротивление делителя по переменному току.

– эквивалентное сопротивление нагрузки по переменному току.

Полное входное сопротивление усилителя:

 

Обычно r_к´≫ и ≫ r_э.

Тогда _.

Выходное напряжение находится в противофазе с входным.

Коэффициенты усиления по напряжению:

 

если r_к´≫ и ≫ r_э.

Коэффициенты усиления по току при

 

Если r_к´≫ и ≫ r_э

 

если .

 

или

если r_к´≫ и ≫ r_э.

Учитывая связь физических параметров транзистора с его h-пара-метрами

 

 

 

 

получим:

 

 

 

 

 

Данный анализ проведен в области средних частот, в которой можно пренебречь реактивными сопротивлениями емкостей. В области малых частот происходит уменьшение K_U и возрастают частотные искажения.

Для расширения частотного диапазона следует увеличивать С₁, С₂.

Максимальный коэффициент усиления по мощности имеет схема с ОЭ.

 

3.1.4. Эмиттерный повторитель

 

Uвых

+Eк

–Eк

Rн

Rэ

UБ

Iэ

С2

Iк

R1

Iд+IБ

С1

R2

Iд

Uвх

Eвх

Rвх

~

Это усилитель тока, выполненный на биполярном транзисторе по схеме ОК.

 

 

Рис.3.17. Схема усилителя на БП (Эмиттерный повторитель)

 

Назначение элементов схемы то же, что и в схеме с ОЭ.

Сопротивление нагрузки переменному току

 

 

Выходное напряжение, снимаемое с R_эн находится в фазе с входным U_вх. Кроме того, V_вых < V_вх на величину U_Б. Так как сопротивление участка эмиттер-база значительно меньше R_эн, то U_вых ≫ U_Б и U_вых ≈ U_вх т.е. K_U ≈ 1.

Входное сопротивление значительно больше, чем в схеме с ОЭ:

 

 

где

Поэтому эмиттерный повторитель, в основном, используют для согласования сопротивлений усилительных каскадов, источников сигнала и нагрузки.

Для увеличения входного сопротивления начальное смещение часто задают фиксированным током базы I_0Б, при этом R = R_Б велико т.к. I_Б – мал. Выходное сопротивление невелико:

 

 

– без учета сопротивления делителя т.к.

CР

I0Б

Iэ

RБ

Uвых

Rн

Rэ

Uвх

CР

 

 

Рис.3.18. Схема эмиттерного повторителя с повышенным входным

сопротивлением

 

3.1.5. Усилители на полевых транзисторах

 

Рассмотрим RC-усилитель на полевом транзисторе с p-n переходом.

Транзистор имеет канал n-типа.

Uвх

Rвх

С1

UR3

R3

Rc

С2

+Ec

RH

Си

Rир

–

+

iи

ic

URи

Uиз

~

 

 

Рис.3.19. Усилительный каскад на полевом транзисторе с

включенным общим истоком

 

Начальное напряжение на затворе должно быть запирающим т.е.

U_из > 0, а U_зн < 0 (3.68)

 

Для его получения в цепь истока включают сопротивление R_и, на котором возникает падение напряжения U_Rиот прохождения по нему начального тока истока I_ин. Это напряжение через резистор R₃ передается на затвор. Учитывая, что ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, можно считать, что и U_R3≈ 0.

Тогда: U_Rи– U_R3– U_из = 0 (3.69)

 

U_и3= U_Rи (3.70)

 

Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы транзистора называют схемой с автоматическим смещением.

Если задан начальный ток стока (I_сн = I_ин) и начальное напряжение U_изн, то сопротивление R_и следует выбирать из соотношения

 

Сопротивление затвора R₃ ≈ 1МΩ. Рассматриваемая схема обладает повышенной стабильностью. Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот:

НРТ

UИЗН

IСН

UИЗО

UИЗ

IС

Здесь S – крутизна стоко-затворной характеристики S= .

 

Рис.3.20. Стоко-затворная характеристика с НРТ

 

3.1.6. Обратные связи в усилителях

 

Под обратной связью (ОС) понимают введение сигнала с выхода устройства на его вход, где он суммируется или вычитается из входного сигнала.

Uос, i ос.

Uвх

i вх

UΣ

i Σ

i вых

Uвых

Σ

 

 

Рис.3.21. Структура обратных связей в усилителях

 

Сигнал на входе устройства, охваченного ОС, находят из выражений:

 

 

Знак плюс “+” соответствует положительной ОС, знак минус – отрицательной ОС.

Петлёй обратной связи называется контур, включающий цепь ОС и часть усилителя между точками подключения цепи обратной связи.

В электронных усилителях используют отрицательные обратные связи – (ООС).

В зависимости от способа получения сигнала ОС различают: ОС по напряжению, ОС по току и комбинированные.

В зависимости от способа введения сигнала ОС во входную цепь различают: параллельную, последовательную и смешанную ОС.

Для количественной оценки степени влияния ОС используют коэффициент ОС – β_ОС, который показывает, какая часть выходного напряжения (тока) поступает на вход усилителя.

 

ОС оказывает влияние практически на все характеристики усилителя. Отрицательная ОС повышает стабильность основных характеристик усилителя. Так, относительная нестабильность коэффициента усиления при введении ООС описывается выражением:

 

т.е. уменьшается в (1+К·β_ОС) раз. Входное сопротивление при введении последовательной ООС увеличивается в (1+К·β_ОС) раз, что является благоприятным фактором. Однако, при этом снижается и коэффициент усиления

 

Следует также отметить, что введение ООС расширяет полосу пропускания ∆ f.

Величина (1+К·β_ОС) называется глубиной обратной связи.

В эмиттерных повторителях сопротивление R_э не шунтируется ёмкостью С_э, поэтому ООС действует и по переменному току – последовательная по входу 100% отрицательная обратная связь, чем и объясняется увеличение входного сопротивления по сравнению со схемой с ОЭ.

 

3.1.7. Усилители постоянного тока (УПТ)

 

Основное отличие усилителей постоянно тока от усилителей переменного тока заключается в том, что нижняя граница частоты полосы пропускания соответствует f _н = 0.

В таких усилителях можно использовать только гальваническую связь между каскадами, поэтому их называют также усилителями с непосредственной связью.

В схемах УПТ отсутствуют реактивные элементы, поэтому в них наряду с полезным сигналом одновременно может проходить и сигнал помехи.

 

К

 

 

ω

 

 

Рис.3.22. Частотная характеристика УПТ

 

На выходе УПТ эти сигналы складываются и невозможно определить уровень истинного сигнала.

Непостоянство выходного сигнала при неизменном уровне входного сигнала, обусловленное влиянием внутренних процессов, называется дрейфом нуля УПТ.

Качественная оценка различных УПТ по уровню дрейфа нуля производится на основании дрейфа, приведенного к входу усилителя.