3.Определите мощность Рн, развиваемую двухтактным уси­ лителем, работающим в режиме В, в нагрузке, и к. п.д. каскада, если ток коллектора транзистора одного плеча

изменяется от / к min = 0,05 А до / к max = 1,5 А, оптималь­ ная нагрузка плеча R K^ = 18 Ом, мощность, потребляе­ мая обоими плечами от источника питания Р0 = 17 Вт.

4.Сравните схемы рис. 5.9, а и 5.10, а и поясните разли­ чия в их функционировании.

Г л а в а 6

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

6.1. ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ

Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, в котором транзистор включен по схеме с общим коллектором (рис. 6.1, а). Нагрузкой в этом случае служит резистор R9. Как видно на схеме, в эмиттерном повторителе действует стопроцентная последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, которая, как известно,

уменьшает коэффициент усиления, повышает стабильность коэффициента усиления, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление каскада. Поэтому их применяют для согласования электронных цепей, имеющих высокое выходное сопротивление, с электронными цепями, имеющи­ ми низкое входное сопротивление.

Рассматривая работу схемы в области средних частот, пренебрегаем влиянием разделительных конденсаторов и

тогда сопротивление нагрузки переменному току

RSRH

Ran — Ra+ Ru

Согласно выражению (2.6) с учетом того, что в схеме действует стопроцентная отрицательная обратная связь, т. е. Р = 1, для коэффициента усиления К» эмиттерного повторителя по напряжению запишем

Таким образом, коэффициент усиления К9 эмиттерного повторителя по напряжению всегда меньше единицы. С уве­ личением Яэ„ коэффициент усиления растет. На практике К» достигает значений 0,85...0,95.

Для определения выходного сопротивления запишем коэффициент усиления Кэ эмиттерного повторителя как

(/э является выходным током схемы, а /в — ее входным то­ ком). Определив / 9 и /б через «у» параметры транзистора, после некоторых преобразований из (6.3) получим

Таким образом, выходное сопротивление эмиттерного пов­ торителя мало и может достигать значений десятков Ом, что характерно для усилителей с отрицательной обратной свя­ зью по напряжению.

Для контура, проходящего через входную и выходную цепи эмиттерного повторителя, без учета сопротивления R6 цепи смещения, по второму закону Кирхгофа можно запи-

Как видим, входное сопротивление эмиттерного порторителя значительно больше, чем в аналогичном каскаде с коллекторной нагрузкой, что характерно для усилителей с последовательной отрицательной обратной связью.

Так как крутизна S современных транзисторов ^ 1 , a R 3 в схемах эмиттерных повторителей имеет порядок сотен Ом, то следовательно, SR 3H 1 и тогда из выражения (6.6) мож­ но записать /?вх.э « SR BXR3H.

1

Заменив в последнем выражении R BX на — , а также учи­

тывая, ,что отношение - у является статическим коэффициен­

том р усиления транзистора потоку, получим RBX.э « р/?5Н. Отсюда следует, что если увеличение входного сопротив­ ления каскада является первоочередным требованием, то этого можно достичь применением в эмиттерном повторите­ ле составного транзистора из двух или трех транзисторов,’^в котором, как известно, р велико (рис. 6.1, б). Учитывая, что цепи смещения снижают входное сопротивление каска­ да, делитель в цепи базы в этих схемах не применяют.

Так как эмиттерный повторитель обладает большим входным и малым выходным сопротивлением, то коэффици­ ент усиления по току здесь может быть очень высоким.

6.2. ИСТОКОВЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ

лительных конденсаторов можно пренебречь и тогда со­ противление нагрузки переменному току определится как

_ Ди*н

Rm — Ru 4" Ru

Также как и в эмиттерном повторителе, в истоковом пов­ торителе действует стопроцентная последовательная обрат­ ная связь по напряжению. Поскольку коэффициент переда­ чи Р цепи обратной связи равен единице, для коэффициен­ та усиления Ки истокового повторителя согласно выражению (2.6) можно записать

по напряжению при разомкнутой обратной связи; 5 — кру­

Следовательно, также как и в эмиттерном повторителе, истоковый повторитель не усиливает напряжение.

Запишем коэффициент усиления Ки истокового повтори­ теля как отношение выходного и входного напряжений схемы

Таким образом, наличие отрицательной обратной связи по напряжению приводит к уменьшению выходного сопротив­ ления истокового повторителя. Записав для контура, про­ ходящего через входную и выходную цепи истокового пов­ торителя, выражение по второму закону Кирхгофа, подоб­ но схеме эмиттерного повторителя, после некоторых пре­

образований получим t/вх = rznr™ e

Разделив обе части равенства на входной ток /э с учетом

выражения (6.7) получим Явх.„ = /?вх О + К) = /?вх (1 + + S R U). Как видим, входное сопротивление истокового пов­ торителя возрастает благодаря наличию в схеме последо­ вательной отрицательной обратной связи. .jj Истоковый повторитель обладает также большим коэф­ фициентом усиления по току. На практике истоковые пов­ торители, также как и эмиттерные повторители, чаще все­ го применяются в качестве вспомогательных усилительных каскадов для согласования высокоомных электронных це­

пей с низкоомными.

6.3. ФАЗОИНВЕРСНЫЕ КАСКАДЫ

Фазоинверсные каскады являются предоконечными кас­ кадами усилителя, если оконечный каскад является двух­ тактным усилителем мощности. Фазоинверсный каскад дол­ жен обеспечить на входе двухтактного усилителя мощнос­ ти два одинаковых напряжения, сдвинутых по фазе на 180°

Наиболее просто осуществить инверсию фазы с помощью

Рис. 6.2. Принципиальные схемы фазоннверсных усилительных каска­ дов

каскада с трансформаторным выходом. Вторичная обмотка такого трансформатора выполняется с выводом средней точ­ ки (рис. 6.2, а). Расчет такого каскада не отличается от расчета трансформаторного транзисторного каскада уси­ ления мощности, работающего в режиме А . Нагрузкой пле­ ча вторичной обмотки является входное сопротивление од­ ного плеча двухтактного усилителя мощности, а коэффици­ ент трансформации определяется как отношение числа вит­ ков половины вторичной обмотки к числу первичной.

Основными недостатками трансформаторного инверсно­ го каскада являются большие вес, габариты и стоимость, а также наличие дополнительных нелинейных искажений.

Поэтому часто между предоконечным и оконечным мощ­ ным двухтактным каскадами помещают так называемый фа­ зоинверсный каскад с разделенной нагрузкой (рис. 6.2, б). Здесь одинаковые по величине и противоположные по фазе напряжения снимаются с коллектора и эмиттера транзис-* тора VT Нагрузочное сопротивление разбито на две части

RK и R3i причем RK= R9.

Достоинствами каскада с разделенной нагрузкой явля­ ются его простота, использование одного усилительного элемента, малый коэффициент гармоник. К недостатку сле­ дует отнести большое различие входных сопротивлений плечей схемы, так как нижнее плечо представляет собой эмитте?рный повторитель, а верхнее — усилительный каскад с общим эмиттером.

6.4. КАСКОДНЫЕ СХЕМЫ

Каскодной схемой называют схему с двумя транзистора­ ми, в которой первый VT1 включен по схеме с общим эмит­ тером, а второй VT2 — по схеме с общей базой (рис. 6.3, а). Выходной сигнал снимается с транзистора VT2. По постоян­ ному току транзисторы могут быть включены как последо­ вательно так и параллельно. Однако первый вариант про­ ще и поэтому чаще применяется на практике.

Рис. 6.3. Принципиальные схемы каскадных усилителей

Для получения большой величины выходного напряже­ ния транзистор VT2 выбирается с высоким рабочим напря­ жением коллектор-база. Транзистор VT 1 выбирается с ма­ лым напряжением коллектор-эмиттер. Напряжение пита­ ния при этом не делят поровну между транзисторами VTI И VT2y как это делается в бестрансформаторных двухтакт­ ных каскадах усиления мощности, а подают на транзистор

VT\ напряжение лишь достаточное для его нормальной ра­ боты.

Достоинством транзисторной каскодной схемы является практически полное исключение влияние изменения со­ противления нагрузки на входное сопротивление каскада. Изменение входного сопротивления при изменении сопро­ тивления нагрузки здесь в 102—103 раз меньше, чем у обыч­ ного усилительного каскада с общим эмиттером. Эта осо­ бенность каскодных схем обусловливает их применение в усилительных устройствах, где наблюдается колебание со­ противления нагрузки в широких пределах, например, в усилителях с резонансными контурами.

Широкое распространение получили комбинированные каскодные схемы на биполярных и полевых транзисторах (рис. 6.3, б). В таком каскаде при сохранении всех до­ стоинств каскодной схемы происходит повышение входного сопротивления благодаря выполнению входного плеча на полевом транзисторе.

6.5. ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Фазочувствительные усилители являются выходными каскадами мощного усиления в устройствах автоматиче­ ского контроля и регулирования производственных про­ цессов, в которых применяются датчики с фазовым кодиро­ ванием информации. Выходной сигнал таких датчиков представляет собой синусоидальное напряжение с постоян­ ной амплитудой, но изменяющейся фазой.

Рис. 6.4. Принципиальные схемы фазочувствительных усилителей

Нагрузкой фазочувствительиых усилителей чаще всего являются управляющие обмотки магнитных усилителей, серводвигателей, дифференциальных реле и других подобных устройств. Фазочувствительные усилители могут быть выпол­ нены как однополупериодные, так и двухполупериодные.

лением Rt включены сопротивление R„ и некоторое отри­ цательное сопротивление R, шунтированное ключом К

Сопоставление выражений (6.12) и (6.13) показывает, что в данной схеме при введении в цепь отрицательного сопротив­ ления мощность сигнала в нагрузке возрастает в четыре раза. Коэффициент, показывающий во сколько раз происходит уве­ личение мощности, в усилителях на туннельных диодах назы­ вается коэффициентом вносимого усиления мощности К явн.

В схемах усилителей туннельный диод может включать­ ся последовательно с сопротивлением источника входного сигнала и нагрузки либо параллельно им.

Схема последовательного усилителя на туннельном дио­ де приведена на рис. 6.6, б. Напряжение смещения с по­ мощью делителя /?1, R2 выбирается так, чтобы рабочая точ­ ка каскада находилась на падающем участке вольтамперной характеристики.

Эквивалентная схема усилителя приведена на рис. 6.6, в. Туннельный диод представлен в виде отрицательного со­ противления R и емкости р — /г-перехода С. Rt и Q харак­ теризуют собственные сопротивление и емкость источника входного сигнала, a R tt и Сн — активную и емкостную со­ ставляющие нагрузки. Делитель напряжения R 1, R2 заме­ нен одним сопротивлением по переменной составляющей тока Rjx = R\ I R2. Необходимо отметить, что R представ­ ляет собой суммарное сопротивление, состоящее из отри­ цательного сопротивления р — n-перехода (равного 100—200 Ом) и небольшого сопротивления (единицы Ом) — сопротивления потерь в полупроводниковом материале, контактах и выводах диода.

На средних частотах рабочего диапазона можно прене­ бречь Ср и Сн. Тогда коэффициент вносимого усиления на­

Выходное напряжение определяется как

ления напряжения стремится к бесконечности, т. е. усили­ тель становится неустойчивым. Поэтому на практике для обеспечения нормальной работы усилителя следует выпол­

Устойчивая работа усилителя обеспечивается при (G* + + Сэ) > | —G |.

Достоинствами усилителей на туннельных диодах яв­ ляются низкий уровень собственных шумов, возможность работы при очень низких и очень высоких температурах, экономичность. Все эти достоинства определяются свойст­ вами туннельного диода.

К недостаткам схем усилителей следует отнести ограни­ ченный верхний уровень мощности, а также затруднитель­ ность построения многокаскадных схем, т. к. у туннельных диодов отсутствует свойство однонаправленности.

Контрольные вопросы и упражнения

1.Рассчитайте коэффициент усиления напряжения, вход­ ное и выходное сопротивление эмиттерного повторителя,

если S = 0,8 сопротивление нагрузки переменному

току /?эн = Ю кОм; входное сопротивление каскада при разомкнутой цепи обратной связи R Bх = 1,25 кОм.

2.Рассчитайте коэффициент усиления напряжения, вход­ ное и выходное сопротивление истокового повторителя,

если S = 5 сопротивление нагрузки переменному

току Я™ = 1,0 кОм; входное сопротивление каскада при разомкнутой цепи обратной связи R BX = 100 кОм.

3.Приведите графическое пояснение работы фазоинверс­ ного каскада с разделенной нагрузкой.

4.Приведите графическое пояснение работы двухполупериодпого фазочувствительного усилителя.

Б.Расскажите об особенностях построения схемы усили­ теля на туннельном диоде.

Г л а в а 7 УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителя­ ми медленно изменяющихся сигналов называются усилите­ ли, которые способны усиливать электрические колебания

рис. 7.1. УПТ широко применяются в различных электрон­ ных устройствах — схемах авто­

выпускаются промышленностью в интегральном исполнении и нашли самое широкое применение в электронной технике.

По принципу действия усилители постоянного тока де­ лятся на два типа: усилители постоянного тока прямого усиления и усилители, в которых осуществляется предва­ рительное преобразование усиливаемого сигнала в перемен­ ный на несущей частоте, обычно называемые усилителями постоянного тока с преобразованием.

7.2. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ

Усилители постоянного тока должны обеспечивать уси­ ление как переменной, так и постоянной составляющих входного сигнала. Все рассмотренные выше схемы усили­ телей для этой.цели не годятся, т. к. в них связь между кас­ кадами осуществляется через разделительные конденсато­ ры или трансформаторы. Для межкаскадной связи здесь пригодны детали, сопротивления которых в широком диа­ пазоне частот от toH= 0 и выше остаются практически не-

Рис. 7.2. Принципиальные схемы УПТ прямого усиления

изменными. В качестве таких элементов могут быть исполь­ зованы резисторы, стабилитроны, диоды. Применяется так­ же непосредственное присоединение выхода предыдущего каскада ко входу последующего.

На рис. 7.2, а представлена схема УПТ с непосредствен­ ной связью. Смещение на базе первого транзистора созда­ ется при помощи делителя R 1, R2. При этом сравнительно высокое напряжение коллектора UKi транзистора VT\ при­ кладывается к базе транзистора VT2 и для того, чтобы обес­ печить необходимое для нормальной работы транзистора VT2 напряжение смещения Ufa, нужно скомпенсировать часть Uл . В приведенной схеме эта компенсация осущест­

вляется за счет падения напряжения на резисторе R32 при протекании через него тока эмиттера 1з2: £/б2 = (UK\ + + UэО — U92 - Сопротивление резисторов в цепи коллекто­ ров транзисторов VTI и VT2 выбираются из условий RK 1 ^

EU- U KX- U

эффициент усиления каскада, т. к. растет глубина отрица­ тельной обратной связи.

Повысить потенциал эмиттера последующего каскада без увеличения сопротивления R32 можно пропустив через него дополнительный ток от источника Ек при помощи вспо­ могательного сопротивления R 0 (рис. 7.2, б) либо включив в

С целью уменьшения температурного дрейфа УПТ с не­ посредственными связями в схеме может быть применена термокомпенсация при помощи кремниевого диода D, вклю­ ченного вместо резистора R K\ (рис. 7.3). С повышением тем­ пературы снижается обратное сопротивление диода и доля теплового коллекторного тока транзистора VT\> протека­ ющего через базу транзистора VT2, уменьшается. Поэтому коллекторный ток транзистора VT2 при изменении темпе­ ратуры почти не меняется.

Компенсацию коллекторного напряжения предыдуще­ го каскада можно осуществить при помощи дополнительно­ го источника смещения Е через делитель напряжения Rn1 , R u2 (рис. 7.2, г). Вместо двух источников постоянного на­ пряжения Ек и Есмздесь можно использовать один источник

со средней точкой. Коэффициент усиления такой схемы, называемой УПТ с потенциометрической связью, в 1,5...2 ра­ за меньше, чем схемы УПТ с непосредственной связью, изза потерь сигнала в потенциометре Rn\, Rn2 .

Схемы усилителей постоянного тока на полевых тран­ зисторах выполняются аналогично схемам УПТ.

7.3. ДРЕЙФ НУЛЯ В УСИЛИТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Отсутствие в схемах УПТ с непосредственными связя­ ми разделительных ^конденсаторов и трансформаторов при­ водит к прохождению через усилитель от входа к выходу одновременно с полезным сигналом сигнала помехи, вы­ званного изменением параметров усилительных элементов и деталей схемы вследствие их старения и колебания темпе­

ратуры окружающей среды, а также изменения питающих на­ пряжений.

Изменение режима работы лю­ бого усилительного элемента в схеме, независимо от причины его вызвавшей, поступает на вход следующего каскада, усиливает­ ся им и, в конце концов, вызы­ вает значительные изменения выходного сигнала. В результа­ те, на выходе отбалансированно­ го УПТ при закороченном входе появляется выходное напряже­ ние, которое можно представить

в виде монотонно возрастающей составляющей и беспоря­ дочных колебаний относительно этой составляющей (рис. 7.4). Это явление получило название дрейфа нуля.

Для оценки дрейфа нуля пользуются понятием дрейфа,

приведенного ко входу едр = — j ^ - , где Д £ /Вых — отклоие-

ние выходного напряжения при закороченном входе УПТ за промежуток времени Д/; К — коэффициент усиления схемы по напряжению.

Дрейф нуля в УПТ является вредным явлением и при построении практических схем принимаются меры для борьбы с ним, такие, как стабилизация напряжения источ­ ников питания, температурная стабилизация режима ра-

где /?*=/? 1 = R2; Rn *= 7?„i = /?И2 , ' м- — статический коэф­ фициент усиления транзистора по напряжению.

Как видно из последнего выражения, последовательно­ балансный УПТ обладает меньшим коэффициентом усиле­ ния, чем параллельно-балансный. Последовательно-балан­ сные УПТ на биполярных транзисторах не нашли широкого применения, так как обладают, как показали иссле­ дования, худшими техническими показателями по сравне­ нию со схемами параллельного баланса. На основе схемы параллельно-балансного УПТ строится схема, в которой нагрузка подключается к коллектору одного из транзисто­ ров (коллекторное сопротивление второго транзистора при этом иногда вообще исключается из схемы), а на входы обоих транзисторов подаются напряжения £/вхi и Ubxi совпадаю­ щие по фазе, но отличающиеся по амплитуде (рис. 7.5, г). Такая схема получила название дифференциального каскада.

Выходное напряжение дифференциального каскада, как не трудно убедиться, совпадает по фазе с напряжением UBX\ и противоположно по фазе с напряжением (УВХ2 . Поэтому вход транзистора VT 1 называют неинвертирующим и обо- значают на схемах знаком «+», а вход транзистора VT2 — инвертирующим и обозначают на схемах знаком «—».

Коэффициенты усиления дифференциального каскада по первому Ki и второму К2 входам примерно равны, т. е. К = Ki = К2. Поэтому выходное напряжение каскада определяется как f/BbIX= К (t/Bxi — t/BX2).

Аналогично строятся дифференциальные каскады на по­ левых транзисторах.

Дифференциальные усилительные каскады являются в настоящее время распространенной конфигурацией схем в интегральном исполнении и, в частности, интегральных операционных усилителей.

7.5.УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

СПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Применение балансных схем и стабилизация источников питания позволяют снизить дрейф нуля УПТ прямого уси­ ления до величины, в лучшем случае, десятков микровольт в час. Поэтому для усиления сигналов меньшей величины применяется УПТ с преобразованием, структурная схема которого представлена на рис. 7.6, а.

В модуляторе М медленно меняющееся напряжение (/п* преобразуется в переменное напряжение UАс частотой c»v,

определяемой задающим генератором ЗГ, и поступает на вход усилителя переменного напряжения У Усиленное на­ пряжение U2 с выхода усилителя поступает на вход демоду­ лятора Д, который преобразует его в напряжение UВых» сов­ падающее по форме с напряжением UBX. Дрейф нуля УПТ с преобразованием определяется фактически только дрей-

Рис. 7.G. Структурная схема и временные диаграммы УПТ с преобразованием

Рис. 7.7. Принципиальные схемы транзисторных модуляторов

фом модулятора, т. к. усилитель переменного напряжения практически не имеет дрейфа, а дрейфом демодулятора мож­ но пренебречь, т. к. на его вход подается сравнительно большое напряжение, значительно превышающее напря­ жение возможных помех. На рис. 7.6, б приведены времен­ ные диаграммы, характеризующие работу схемы УПТ.

Наибольшее распространение в настоящее время полу­ чили модуляторы на транзисторах. На рис. 7.7, а и 7.7, б представлены две схемы таких модуляторов. В первом слу­ чае, под действием Ur транзистор периодически открыва­ ется с частотой сог и закорачивает вход усилителя перемен­ ного напряжения. Когда транзистор заперт, £/вх поступает на вход усилителя.