Osnovy_skhemotekhniki_posobie

Рис.12.14 Временные

диаграммы для КУМ с ИКМ на

рис.14.16.

Основными недостатками данной схемы КУМ являются:

При высоких требованиях к точности обработки сигнала возрастает число электронных ключей. Увеличивается число каналов, и габариты схемы растут.

В широкой полосе частот сложно реализовать восстанавливающий фильтр.

Для устранения этого недостатка всю полосу рабочих частот разбивают на отдельные полосы. Усиление осуществляется в каждой полосе отдельно.

Такой тип усилителей получил название спектрально-ключевые усилители мощности.

Спектрально-ключевые усилители мощности (СКУМ)

Принцип построения СКУМ заключается в разбиении всей широкой полосы частот на узкие полосы с последующим усилением сигнала в каждой полосе отдельно.

Число каналов зависит от требуемого качества восстановления сигнала, а

также от глубины регулировки АЧХ в усилители. Структурная схема СКУМ

141

приведена на рис. 12.15.

Фильтр Фильтр1 КУМ1 вых.1

Фильтр2 КУМ2 Фильтр вых.2

Фильтр n КУМn

Фильтр вых. n

Рис. 12.15. Структурная схема спектрально-ключевого усилителя мощности

Входные фильтры предназначены для разбиения АЧХ на узкие полосы частот. КУМ – ключевой усилитель мощности, построенный по любой из приведенных выше схем. Выходные фильтры предназначены для восстановления сигнала в каждой полосе отдельно. За счет эффективного восстановления сигнала повышается КПД всего усилителя. Если коэффициент усиления каждого из КУМ сделать регулируемым, то усилитель, приведенный на структурной схеме рис.12.15, может работать как эквалайзер.

Дискретно-аналоговые усилители мощности

Схемные решения ключевых усилителей мощности (КУМ) оказываются намного сложнее схем аналоговых усилителей мощности. Не имеет смысла использовать КУМ во всем диапазоне усиливаемых частот. Так, например, в

звуковом диапазоне (1 Гц 25 кГц) основная мощность сигнала сосредоточена в полосе 1 Гц 3 кГц. Поэтому в звуковом диапазоне имеет смысл использовать КУМ только в этой полосе, а в полосе 3 кГц 25 кГц – аналоговые усилители мощности. Таким образом, схема разбивается на два канала рис.12.16.

Рис.12.16. Структурная схема дискретно-аналогового усилителя мощности

142

Такая схема позволяет в себе сочетать достоинства аналоговых и ключевых усилителей мощности. Высокое значение КПД (~100%) для ключевых усилителей мощности и низкое значение коэффициента шума аналоговых усилителей мощности.

Общим недостатком всех ключевых усилителей мощности является высокий уровень коммутационных помех. Наличие мощных помех коммутации приводит к проблеме электромагнитной совместимости в таких усилителях.

Контрольные вопросы

54)Какие усилители называются усилителями мощности? а) Усилители, которые усиливают входное напряжение. б) Усилители, которые усиливают входной ток

в) Усилители, которые усиливают входной ток и входное напряжение.

55)В чем состоит отличие усилителей мощности от каскадов предварительного усиления? а) усилители мощности работают в линейном режиме б) усилители мощности работают в нелинейном режиме

в) усилители мощности ничем не отличаются от каскадов предварительного усиления 56)Что такое коэффициент гармоник? Приведите метод расчета коэффициента гармоник.

а) отношение коэффициента усиления на какой-либо частоте к номинальному коэффициенту усиления

57)Как нужно изменить принципиальную схему двухтактного усилителя мощности для того, чтобы убрать разделительную емкость на выходе?

а) использовать двухполярное напряжение питания б) включить усилитель мощности в обратную связь операционному усилителю

в) обеспечить симметрию плеч двухтактного усилителя мощности.

58)Почему в двухтактных усилителях мощности возникают искажения типа «ступенька»? Назовите способы борьбы с этим типом искажений.

а) причина искажений типа ступенька заключается в том, что усилитель работает в режиме А

б) причина искажений типа ступенька заключается в том, что усилитель работает в режиме В

в) причина искажений типа ступенька заключается в том, что усилитель работает в режиме АВ

13. Усилители постоянного тока

При измерении некоторых физических величин (давление, температура и пр.) приходится обрабатывать медленно изменяющиеся электрические сигналы,

снимаемые с датчиков. Для обработки и усиления таких сигналов, как правило,

используют усилители постоянного тока. Усилителем постоянного тока (УПТ)

143

называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. АЧХ усилителя постоянного тока приведена на рис. 1.11.

Основные параметры и характеристики УПТ.

Наряду с уже известными параметрами и характеристиками любого усилителя, такими как АЧХ, ФЧХ, переходная характеристика, коэффициент усиления и др. УПТ имеют два специфических параметра.

1) Напряжение дрейфа, приведенное по входу:

Здесь K0– номинальный коэффициент усиления.

2)Напряжение смещения Uсм : это такое напряжение, которое необходимо подать на вход УПТ, чтобы на его выходе получить напряжение, равное нулю.

Как правило, в справочной литературе приводится модуль напряжения

смещения.

Классификация усилителей постоянного тока

1)УПТ с гальванической связью между каскадами. Напряжение смещения УПТ с гальванической связью составляет единицы вольт: Uсм n 0,1 1 В.

Дифференциальные УПТ с гальванической связью между каскадами имеют напряжение смещение на порядок ниже: Uсм n 10 100 мВ

2)УПТ с преобразованием сигнала (УПТ типа модулятор–демодулятор).

Uсм n10 6 10 9 В.

3)УПТ с коррекцией нулевого уровня (аналоговый или цифровой УПТ).

Uсм n10 6 10 9 В

144

4)Автогенераторные преобразователи. Такие УПТ преобразуют постоянное напряжение в частоту, либо фазу с последующим усилением гармонического сигнала и обратным преобразованием. Uсм n10 8 10 11 В

5)Параметрический УПТ. Такие усилители строятся на основе параметрических емкостей. Они являются самыми малошумящими

усилителями постоянного тока. Uсм n10 8 10 11 В.

Основными причинами возникновения дрейфа нуля в УПТ являются:

1)Изменение напряжение питания.

2)Изменение температуры окружающей среды, в том числе и изменение температуры кристалла транзистора.

3)Старение активных элементов (транзисторов).

4)Старение пассивных элементов, что приводит к изменению рабочей точки.

13.1. УПТ с гальванической связью между каскадами

Принципиальная схема усилителя постоянного тока с гальванической

связью между каскадами приведена на рис.13.1.

Eп

R1 Rк1 Rк2

Uвых

Uвх

R2 Rэ1 Rэ2

Рис.13.1. Принципиальная схема УПТ с гальванической связью между каскадами

Из приведенной схемы видно, что рабочие точки всех каскадов такого усилителя оказываются связанными. Таким образом, на напряжение дрейфа оказывают влияние нестабильности рабочих точек всех каскадов.

145

Коэффициент усиления каждого из каскадов схемы рис.13.1 определяется выражением:

Пусть транзисторы VT1 и VT2 в приведенной схеме идентичны, тогда:

Напряжение на коллекторе первого транзистора равно напряжению на базе второго транзистора и больше напряжения на базе первого транзистора. Для сохранения положения рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора следует увеличивать сопротивление в цепи эмиттера Rэ.

Следовательно, у последующих каскадов коэффициент усиления уменьшается.

Таким образом, делать усилитель с большим числом каскадов оказывается нецелесообразным. Поскольку номинал сопротивление Rэ возрастает, то часто вместо этого сопротивления включают стабилитрон.

Вкаскадах УПТ происходит повышение постоянного потенциала от его входа к выходу, что создает сложности обеспечения рабочей точки активного элемента. Поэтому приходится согласовывать сравнительно большой (по модулю) потенциал на выходе предыдущего каскада с малым потенциалом на входе последующего. Существуют четыре основных метода согласования каскадов:

1)с дополнительным источником напряжения в цепи межкаскадной связи;

2)со стабилитроном в цепи межкаскадной связи;

3)с делителем напряжения и дополнительным источником питания;

4)с каскадом сдвига уровня.

Вреальных устройствах, как правило, используется чаще второй способ стабилизации рис.13.2.

146

Eп

R1 Rк1 Rк2

Uвых

Uвх

R2 Rэ1 Rэ2

Рис.13.2. Схема согласования со стабилитроном в цепи межкаскадной связи

Для обеспечения режима работы транзисторов также может быть

использована схема на транзисторах разного типа проводимости рис.13.3.

Eп

Uвых

Uвх

Рис.13.3 Принципиальная схема УПТ с гальванической развязкой между каскадами на

транзисторах разного типа проводимости

13.2.Дифференциальные усилители постоянного тока

Внастоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных каскадов. Такие усилители реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью (КТ118УД, КР198УТ1 и др.).

Дифференциальный каскад представляет собой симметричный усилитель

параллельного баланса (рис.13.4).

147

VT1 a bVt2

Rэ

Рис.13.4. Принципиальная схема дифференциального УПТ

Схема дифференциального усилителя УПТ состоит из двух каналов усиления. Выходное напряжение представляет собой разность выходных напряжений двух каналов усиления. Таким образом, при условии симметрии плеч усилителя удается уменьшить напряжение дрейфа УПТ. Пусть на усилитель действует некоторое дестабилизирующее воздействие

(непостоянство напряжение питания, изменение температуры окружающей среды и др.). В этом случае выходное напряжение на выходе каждого из каналов изменяется одинаково:

Поскольку выходное напряжение равно разности выходных напряжений двух каналов, то при условии идентичности плеч имеем:

Для дифференциального УПТ вводится понятие ослабления синфазных сигналов Fs . Чем больше коэффициент ослабления синфазных сигналов, тем меньше напряжение дрейфа. Для хорошей дифференциальной пары Fs 80дБ.

При общей эмиттерной нагрузке обоих активных элементов усиление увеличивается в два раза. Напряжение на общем сопротивлении в цепи эмиттера Rэ, вызванное изменением входного напряжения на базе транзистора

VT1, оказывается противофазным для транзистора VT2.

148

Поскольку идентичность двух плеч усиления обеспечить сложно, то включают дополнительное подстроечное сопротивление в цепи эмиттера транзисторов (рис.13.5).

Rэ

Eп

Рис.13.5 Схема включения подстроечного сопротивления Rбал

Дальнейшее уменьшение напряжение дрейфа требует применения специальных схем для стабилизации тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2,

чем достигается стабильность рабочих точек транзисторов. В качестве таких схем используют генераторы стабильного тока (ГСТ), которые включают в эмиттерную цепь транзисторов. В качестве ГСТ часто используют схему

«токовое зеркало» (рис.13.6).

R3

J0

J1

R1 R2

Рис.13.6. Принципиальная схема токового зеркала

Требуется стабилизировать ток J0 . Самым стабильным элементом является сопротивление. Класс точности этого элемента является достаточно высоким. На этом и основан принцип работы схемы токового зеркала.

149

Необходимым и достаточным условием работы схемы является большое значение крутизны транзистора:

При выполнении условия Jб Jк,Jэ током базы можно пренебречь, по сравнению с токами коллектора и эмиттера транзистора, при этом:

Таким образом, если J1 стабилен, то будет стабилен и ток J0 .

Вместо диода в схемах токового зеркала часто используют транзистор в диодном включении.

13.3. Усилитель постоянного тока типа модулятор-демодулятор (МДМ)

Принцип построения усилителей такого типа основан на преобразовании постоянного сигнала в переменный сигнал. Переменный сигнал усиливается широкополосным усилителем и преобразуется в сигнал постоянного тока.

Структурная схема УПТ типа МДМ приведена на рис.13.7.

Широкополо-

Модулятор сный демодулятор ФНЧ

усилитель

генератор

Рис.13.7. Структурная схема УПТ типа МДМ

Для работы усилителя необходимо синхронизировать работу модулятора и демодулятора. Поэтому в схему включен генератор тактовых синхроимпульсов.

Работу схемы поясняют временные диаграммы рис.13.8.

150