Содержание Введение…………………………………………………………………………….3 1.Принципы электронного усиления. Режимы работы усилительных Элементов………………………………………………………………………….4 2. Анализ работы усилителя с помощью вольтамперных характеристик его элементов…………………………………………………………………………………8 Принципы построения усилителей 1. Апериодические усилительные каскады в режиме малого сигнала……………13 2. Многокаскадные усилители. Способы межкаскадной связи…………..……….17 Вывод………………………………...………………………………………………24 Список используемой литературы………………………………………………….25 2 3 Введение Построение аналоговых устройств на основе активных электронных приборов (транзисторов, электровакуумных ламп и т.п.) позволяет усиливать сигналы. Усиление является важнейшим этапом при формировании, приеме, обработке электрических сигналов в системе связи и представляет собой процесс увеличения энергии сигнала. Устройство, обладающее способностью увеличивать энергию сигнала, называется усилителем. Таким образом, неотъемлемым свойством усилителя является его способность увеличивать мощность сигнала, получая PВЫХ > PВХ (выходную мощность больше входной). Это свойство является также определяющим при усилении напряжения или тока, при котором в общем случае может быть UВЫХ < UВХ или IВЫХ < IВХ. В развитии теории и техники усилительных устройств велика заслуга отечественных специалистов. В 1915г. В.И. Коваленков создал аппаратуру для телефонной трансляции, основанную на использовании двустороннего усилителя. Его схема оказалась лучшей из всех предложенных. В создании широкополосных усилителей, используемых в телевидении, радиолокации, приборостроении, магистральных системах связи немаловажную роль сыграли работы советских ученых, особенно Г.В. Брауде, В.Л. Крейцера, О.Б. Лурье. Первый полупроводниковый усилитель был создан сотрудником Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосевым, открывшим в 1922г. свойство кристаллического детектора усиливать и генерировать колебания. Большой вклад в область теории усилительных устройств внесли: М.А. Бонч-Бруевич, А.И. Берг, Г.С. Цикин, Н.Г. Басов и А.М. Прохоров. 4 1. Принципы электронного усиления. Режимы работы усилительных элементов Принцип электронного усиления Обычно усилительный каскад содержит один усилительный элемент (УЭ), например транзистор, и относящиеся к, нему пассивные компоненты, обеспечивающие его работу. Простейшая схема усилительного каскада (УК) на БПТ (рис 1, а) содержит транзистор VT и резистор Rk, включенный в цепь коллектора последовательно с ИП Еk. Во входной цепи последовательно с источником сигнала (переменного усиливаемого напряжения) uс= ивх включен источник постоянного напряжения смещения Uсм= Еб. Переменная составляющая тока коллектора, протекая через резистор Rk, выполняющий функции коллекторной нагрузки, создает на нем выходное напряжение. Оно снимается и подается далее на сопротивление нагрузки каскада Rн . iк Рассмотрим работу каскада. VT 1) Статический режим (режим покоя), uк t0 ÷ t1 (рис. 1) Rк uвх = 0; uбэ = Еб; iк = Iк0; Uкэ0 = Eк − URк = = Eк − Iк0Rк. 2) Динамический режим, t1 ÷ t3 (рис. 1) uвх + _ _ EБ uбэ ЕБ Eк а) Um вх 0 t1 t2 t3 t uвх=Umвхsin ωt; iк Im к небольшое ΔUвх вызовет значительное ΔIб I к0 (рис. 6 стр. 23); Iк Iк min ΔIб вызовет значительное ΔIк: ΔIк = ΔIбh21 m 0 (рис. 7 стр. 23) происходит усиление по t a току; uкэ Um к x ΔIк вызовет ΔURк = ΔIкRк = ΔIбh21Rк; Uкэ т.к. Rк > Rвх, а ΔIк > ΔIб, то ΔURк = ΔIкRк = ΔIбh21Rк > Δuвх = ΔIбRвх 0 0 t происходит усиление по напряжению; б) 2 2 Pвых = ΔIк Rк, Pвх = ΔIб Rвх , т.к. ΔIк > ΔIб, Rк > Rвх происходит усиление по мощности. RУЭ Uвх Rк Eк в) Процесс управления током ik выходной цепи Рис.1 5 транзистора можно рассматривать так же, как результат изменения его внутреннего сопротивления постоянному току (рис. 1,б). Благодаря этому происходит непрерывное перераспределение напряжения источника питания между транзистором и нагрузкой. Управление внутренним сопротивлением транзистора осуществляется входным напряжением. Режимы работы усилительных элементов В зависимости от того, какую долю периода усиливаемого колебания синусоидальной формы ток протекает через УЭ, различают несколько режимов его работы, которые принято называть классами усиления и обозначать заглавными буквами латинского алфавита. Доля периода протекания тока определяется значением и знаком напряжения смещения Uсм, определяющего точку покоя (НРТ) - Ukп, Ikп и напряжения сигнала uс в схеме транзисторного каскада, приведенного на рис. 1.а. Рассмотрим основные из них. Класс усиления А. Режим работы каскада усиления, при котором ток в выходной цепи УЭ протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса А. Это самый распространенный режим работы (рис. 2, а). Характерной чертой этого режима является выполнение условия Iкm < Iкп, для обеспечения которого напряжение смещеа) ik Режим А ik I0<Ikп ния должно превосходить максимальную амплитуду напряжения входного сигнала А Ikп Uсм > uс. Начальный ток коллектора равен I0 полусумме максимального и минимального тока коллектора (1) 0 а максимальная амплитуда выходного тока – полуразности этих значений ik Ikп = (Ik min + Ikэ mах)/2, Ikm = (Ik max - Ik min)/2. Ukп uбэ б) t 0 Θ= ik Режим В I0>Ikп (2) I0 Таким образом, класс усиления А име- Ikп=0 А 0 Ukп ет место при выборе точки покоя в средней части линейного участка характеристик ik транзистора. Этот режим характерен тем, что форма выходного сигнала Uвых повторяет форму входного сигнала Uвх При этом транзистор работает в линейной области, что Ikп А объясняет минимальное нелинейное искаже0 Ukп ние усиливаемого сигнала. В то же время раik бота усилителя в классе А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током Ikп в цепи RK вне зависимости Ikп=0 uбэ 0 2Θ Θ= 2 ik Режим АВ в) t I0>Ikп I0 0 uбэ г) Θ> 2 ik 2Θ t Режим C I0>Ikп Ikп I0 А Ukп 0 uбэ 0 Θ< 2 Рис. 2. 2Θ t 6 от наличия или отсутствия входного сигнала uс, в результате чего в транзисторе рассеивается мощность РКП = IКПUКП. В связи с этим режим усиления А используют лишь в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых, как правило, важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение КПД не играет решающей роли. Класс усиления В. Режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи УЭ протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса В. В режиме В НРТ совмещается с началом передаточной характеристики транзистора (рис. 2, б), т.е. режим соответствует выбору Uсм = 0. При этом Ikп = I k min 0 и Uкэп = Uп –I к min R k Uп . Здесь выходной ток транзистора (ток коллектора iк) в отсутствие сигнала практически равен нулю, что делает режим покоя очень экономичным. При наличии входного сигнала ток через транзистор протекает только в течение половины каждого периода. Половина длительности каждого импульса выходного тока транзистора, выраженная в радианах или градусах угла текущей фазы t, называется углом отсечки Θ. В режиме В угол Θ = π/2 = 90°. Полуволны, соответствующие вторым полупериодам колебания, данным транзистором не пропускаются. Для их усиления приходится ставить другой такой же транзистор. В результате получается так называемый двухтактный усилитель. В режиме В оказывается сравнительно высокий КПД усилительного каскада. Его значение можно довести до 0,7 и более. Поэтому класс В предпочтительнее для использования в усилителях средней и большой мощности. Однако из-за кривизны начального участка передаточной характеристики УЭ полуволны тока в их нижней части заметно искажаются (нелинейные искажения). Корме того, в классе В наблюдается усиление лишь одной положительной полуволны усиливаемого сигнала и потому выходной ток УЭ имеет прерывистый характер. Из-за этого возникают дополнительные искажения, обусловленные переходными процессами. На верхних частотах они проявляются настолько сильно, что ограничивают диапазон усиливаемых частот. Большие искажения усиленного сигнала являются причиной того, что класс усиления В практически не используется в усилителях. Класс усиления АВ. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в его выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса АВ. В режиме АВ рабочую точку А (рис. 2.в) выбирают примерно на середине начального криволинейного участка передаточной характеристики. В результате импульсы тока коллектора оказываются несколько шире половины периода и угол отсечки 1800>Θ>90°. Режим АВ является основным для двухтактных каскадов. Здесь потребляется некоторый ток покоя, но КПД лишь незначительно ниже, чем в режиме В. Преимущество - отсутствие искажений, вызванных кривизной начального участка передаточной характеристики. Класс усиления С. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления 7 класса С. Режим С характеризуется выбором НРТ (А на рис. 1,г) в области запирания транзистора, в результате чего угол отсечки Θ < 90°. Режим С применяется в мощных резонансных усилителях мощности с повышенным КПД. Класс усиления D. Режим работы транзисторного каскада, при котором УЭ может находиться только в состоянии включено (режим насыщения) или выключено (режим отсечки), называется ключевым режимом или режимом усиления класса D. Суть ключевого режима работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью отпирающие и запирающие транзистор. Он всегда находится в одном из двух крайних состояний: «полностью открытом» или «полностью закрытом». В первом из них падение напряжения между выходными электродами транзистора близко к нулю, а во втором - его ток близок к нулю. Поэтому потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы. Переброс из одного состояния в другое осуществляется мгновенно. Поэтому КПД такого усилительного каскада близок к единице. Используется в импульсных, ключевых схемах и устройствах цифровой техники, как правило, в устройства с автономным питанием, рассчитанные на длительный режим работы. Основные параметры транзисторного каскада (рис. 1, а) для различных классов усиления сведены в табл. 1. Таблица 1 Класс усиления А Напряжение смещения Токи покоя транзистораIkп ik >0 Ikm Ikm< Ikп Ikпh21Э Ikп АВ >0 Ikпh21Э =0 Ik нач <0 Ikп Примечание Зависимость тока от времени ik Ikm Ikm> Ikп Ikm> Uп/Rk t Ikп В ik Ikm ik Ikm t Ikm> Uп/Rk С t D Ikm >Uп/Rk Ikm= Uп/Rk 0 Ikп t ik Ikm t 8 2. Анализ работы усилителя с помощью вольтамперных характеристик его элементов Анализ режимов работы усилительного каскада можно осуществить тремя методами: графическим, аналитическим и графоаналитическим. Графический метод очень удобен для быстрого анализа. Он позволяет вникнуть в физическую сущность и дать качественную оценку режима работы. Однако графический метод не может дать точную количественную оценку многих важных параметров, особенно при спектральном анализе выходных колебаний. Поэтому в случае точных инженерных расчетов используются графоаналитический и аналитический методы анализа режимов работы УЭ. Графоаналитический метод анализа режима работы используется в инженерной практике при получении количественных данных о спектре выходного тока с возможностью качественной оценки вида кривой выходного тока. Аналитический метод применяется при решении задач теоретической радиотехники и электроники. Он отличается от графоаналитического применением для расчетов не графиков, а аналитических выражений, аппроксимирующих ВАХ. Методика анализа работы усилительного каскада с помощью вольтамперных характеристик его элементов Исходные данные: схема каскада (рис. 3); класс усиления (А); тип усилительного элемента (УЭ); требуемая верхняя частота fтр; допустимая мощность рассеяния на коллекторе Pк, напряжение источника питания Ек. R1 R3 С3 + R5 Eк 2 1 VT С1 С4 Rн R2 R4 1' Рис. 31.1 Рис. С2 2' 9 Порядок расчета 1. Определение параметров и характеристик УЭ . По табл. 1.1 определить примерный класс транзистора. Таблица 1.1 Мощность рассеивания Вт до 0,3 (малая) до 1,5 (средняя) более 1,5 (большая) Низкочастотные Среднечастотные f 9 МГц 9 МГц < f 30 МГц Высокочастотные f > 30 МГц 101-199 201-299 301-399 401-499 501-599 601-699 701-799 801-899 901-999 Зная класс транзистора, по заданным исходным данным по справочнику [Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/ Под ред. Б. Л. Перельмана М.: Радио и связь, 1981. 656 с.] выбрать транзистор со следующими паспортными данными: Pк max Pк , f гран f тр . Для выбранного транзистора выписать его параметры fгр, Pк max, Iк max, Uкэ max, h21э и зарисовать входные и выходные характеристики (рис. 4, 5). Iб, мА Iк, мА Uкэ = 5 В 3 2 1 Iк max IБ = 0,08 мА 4 IБ = 0,06 мА IБ = 0,04 мА IБ = 0,02 мА 5 0 Рис. Рис.44 Uбэ, В 0 Рис. Рис. 55 IБ = 0 мА Uкэ max Uкэ, В предельным значением тока Iк мак (линия 1 на рис. 1.3); 2. Определение усилительной области. Взаимосвязь изменений Iвых от изменений входного тока Iвх или входного напряжения Uвх должна быть по возможности линейной. Только при линейной (пропорциональной) функциональной зависимости их значений возможно неискаженное воспроизведение усиливаемого сигнала на выходе каскада. Очевидно, что условие линейности выполняется лишь в ограниченной области значений токов и напряжений. Область выходных вольтамперных ха- 10 рактеристик (ВАХ), где указанное условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется усилительной областью. Протяженность этой области ограничена: предельным значением напряжения Uкэ max (линия 2 на рис. 5); предельным значением мощности рассеяния УЭ (линия 3 на рис. 5); линией граничного режима (ЛГР) или линией насыщения (линия 4 на рис. 5); линией отсечки (линия 5 на рис. 5). Считается, что транзистор работает в усилительном режиме, если в процессе усиления рабочая точка (РТ) находиться между ЛГР и линией отсечки. Первое из этих условий выполняется, если в процессе усиления сигналов выходное напряжение Uкэ имеет значения не ниже, чем некоторое начальное напряжение Umin, характеризующее удаление ЛГР от оси ординат при данном выходном токе Iк. Для биполярного транзистора оценку значения Umin при токе коллектора Iк можно осуществить по формуле U min I к SГр , где SГр dI к dU кэ - крутизна, характеризующая наклон ЛГР. Приближенно можно считать, что SГр I к max 3 5 , здесь Iк max предельно допустимое значение тока коллектора (задается в справочнике). 4. Анализ в статическом режиме. Это анализ каскада на постоянном токе, когда все источники питания подключены, а входное воздействие отсутствует. 4.1. Выбор начальной рабочей точки (НРТ). Положение НРТ выбирается с учетом заданного класса усиления. Упрощенно выбор НРТ можно представить следующим образом: для класса усиления А Uк0 (0,4 0,5) Eк; Iк0 0,5 Iк max; для класса усиления В Uк0 (0,8 0,9) Eк; Iк0 0 (рис. 1.5). 4.2. Определение параметров Iб0, Uб0. На выходных ВАХ определить значение Iб0, соответствующее характеристики, проходящей через НРТ (рис. 7). Если НРТ оказалась между характеристиками, заданными в справочнике, то необходимо самостоятельно построить дополнительную характеристику так, чтобы она проходила через НРТ. Для вновь построенной характеристики определить Iб0. Найденное значение Iб0 отложить по оси ординат на входных ВАХ (рис. 6). Из полученной точки опустить перпендикуляр на характеристику, для которой Uкэ 0 В. Точка пересечения перпендикуляра и характеристики является 11 НРТ. Для неё определить Uб0. Iб, мА Uкэ = 5 В Iвх 0,06 Imб Iб0=0,04 НРТ t 0,02 Uбэ, В Uбэ0 0 Uвх Umбэ t Рис. 6 Iк, мА Iк max ЛГР С Iб = 0,08 мА Iвых Iб = 0,06 мА Imк Iк0 t А НРТ Iб0 = 0,04 мА 0 Uкэ0 В Eк Iб = 0,02 мА Iб = 0 мА Uкэ max Uкэ, В Uвых t Рис. 7 Umкэ 5. Анализ в динамическом режиме. Это анализ каскада на переменном токе, когда все источники питания подключены и подано входное воздействие. 5.1. Построение нагрузочной характеристики. Нагрузочная характеристика (НХ) – линия на плоскости выходных ВАХ, по которой движется РТ в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора. При резистивной нагрузке НХ имеет вид ломаной линии. Наклон НХ (угол а на рис. 7) зависит от сопротивления нагрузки усилительного элемента; в 12 рассматриваемой схеме – от Rк: ctg а = Rк. Чем меньше Rк, тем круче характеристика. При комплексной нагрузке, например при резистивно-емкостной, между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги, в результате чего РТ в процессе усиления сигналов перемещается не по линии, а по контуру, называемому траекторией движения рабочей точки. Конфигурация этой траектории зависит от формы сигнала, его интенсивности и скорости изменения во времени, а также от степени отклонения характера нагрузки от резистивного. Для схемы рис. 3 НХ является отрезком прямой линии, проходящей через точки А, B с координатами (Uк0; Iк0), (Eк; 0) (рис. 7). В точке C – пересечения оси токов и НХ, соответствующей току короткого замыкания Iкз (при Uкэ = 0), значение Iкз должно быть не более Iк max, взятому из справочника. 5.2. Определение величин входных (выходных) напряжений и токов. На рис. 6, 7 графически показаны зависимости входных (выходных) напряжений и токов: U бэ; U кэ; I б; I к. Графическим методом по графикам рис. 6, 7 определить величины входных (выходных) напряжений и токов: Um вх = Um бэ; Um вых = Um кэ; Im вх = Im б; Im вых = Im к. 5.3. Определение параметров h11, h22. Графоаналитическим методом по графикам рис. 6, 7 и выражениям h11 Iк U бэ , h22 U кэ I б U const I б const кэ в окрестностях НРТ определить параметры h11 входное сопротивление, и h22 выходную проводимость транзистора. 13 Принципы построения усилителей 1. Апериодические усилительные каскады в режиме малого сигнала К апериодическим усилителям относятся усилители, не имеющие в нагрузке избирательную систему, т. е. все кроме резонансных усилителей. В усилительных каскадах связи между напряжениями и токами, например, транзистора имеют нелинейный характер и выражаются семейством входных и выходных характеристик. Для схемы с ОЭ рис. 1: u бэ f 1 iб , u kэ , ik = f2(iб, ukэ). ik ik iБ Т. е., транзистор является uKЭ=0 uKЭ>0 i IБ0>IБ1 k нелинейным элементом це- iБ IБ1>IБ0 пи. Однако в усилителях необходимо обеспечить IБ0 iБ0 ik0 пропорциональность измеuKЭ IБ=0 uБЭ uБЭ нения входных и выходных 0 uКЭ0 сигналов. Несмотря на неuКЭ uБЭ0 uБЭ a) б) линейность характеристик, Рис. 1 это возможно при малых переменных составляющих токов ∆i(t) и напряжений ∆u(t), которые накладываются на относительно большие постоянные составляющие iп, uп в рабочей точке, создаваемые отдельными источниками питания, включенными в цепь. Такой режим называется малосигнальным или линейным режимом усиления класса А, т.е. режим, в котором в процессе работы транзистора не проявляется влияние нелинейности его ВАХ. Таким образом, основным критерием малосигнального режима работы БПТ является малое значение в нем сигнальных составляющих выходных токов ∆ik(t) и напряжений ∆uk(t) по сравнению с их значениями iп, uп в НРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами использования транзистора по току i ik ikп и напряжению u uk ukп . Обычно влияние нелинейности ВАХ транзистора становится заметным, когда какой-либо из этих коэффициентов превышает 0,20,3. При малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаимозависимости между его токами и напряжениями определяются постоянными коэффициентами, не зависящими от уровня сигналов. Эти коэффициенты называются малосигнальными параметрами. Существует ряд систем параметров. 14 Например, H-параметры: U ВХ H11 IВХ H12U ВЫХ ; I ВЫХ H 21 I ВХ H 22U ВЫХ , (1) связывающие входное переменное напряжение ( U ВХ ) и выходной ток ( IВЫХ ) со входным током ( IВХ ) и выходным напряжением ( U ВЫХ ). Эти параметры несут в себе всю информацию об усилительных и передаточных свойствах транзистора. Вместо комплексных параметров Н 11 , Н 12 , Н 21 , Н 22 в области средних частот применяют активные гибридные параметры h11э , h12 , h21э , h22э , тогда выражения (1) примут вид U ВХ h11 I ВХ h12U ВЫХ ; I ВЫХ h21 I ВХ h22U ВЫХ . Применительно к конкретной схеме включения БПТ h-параметры имеют определенный физический смысл, например для схемы с ОЭ: h11э - входное сопротивление транзистора, Ом; h12 э - коэффициент обратной связи по напряжению; h21э - коэффициент усиления транзистора по току; h22э - выходная проводимость транзистора, 1/Ом (См). Индекс "э" показывает, что транзистор включен по схеме с ОЭ. Параметр h21э является справочным и обозначается ( h21э = ). Из приведенных соотношений следует и способ определения гибридных параметров БПТ. В режиме короткого замыкания на выходе (холостого хода на входе) для переменной составляющей UВЫХ (IВХ) или постоянства выходного напряжения икэ= иkэп = const (iкэ = ikэп = const) определяются параметры: h11э h22 э u бэ iб ik uk э ; K i h21э ukЭ const ; iб const h12 э uбэ uk э ik iб ; ukЭ const . iб const Параметр h12 имеет, как правило, небольшое значение (примерно 10-3 10-4). Невысокая точность графического метода не позволяет найти малый параметр h12, и поэтому его не определяют по характеристикам, а принимают либо численное значение, либо вообще пренебрегают этой величиной, полагая h12 = 0. 15 При рассмотрении малосигнального режима в окрестности фиксированной НРТ эти параметры являются постоянными величинами. Однако при изменении режима работы цепи по постоянному току (при переходе к рабочей точке с другими значениями ikп и ukэп) h-параметры изменяют свои значения. Существует ряд других систем параметров БПТ. Например, уравнения передачи усилителя в Y-параметрах имеют следующий вид: I ВХ Y11U ВХ Y12U ВЫХ , I ВЫХ Y21U ВХ Y22U ВЫХ . (2) В основной частотной области транзистора, взаимосвязи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. В этой частотной области для характеристики свойств транзистора вместо системы комплексных Y-параметров используются система вещественных g-параметров, включающих параметры g11, g12, g21, g22. При этом I ВХ g11U ВХ g12U ВЫХ ; I ВЫХ g 21U ВХ g 22U ВЫХ . Применительно к конкретной схеме включения БПТ g-параметры имеют определенный физический смысл: g11Э входная проводимость транзистора, 1/Ом = См; g12Э проходная проводимость транзистора, 1/Ом = См; g21Э обратная проводимость транзистора, 1/Ом = См; g22Э выходная проводимость транзистора, 1/Ом = См. Способы включения усилительного элемента в схему усилителя Синтез и эскизное проектирование усилительных схем осуществляется на основе базовых звеньев, которыми являются одиночные усилительные каскады. Исходным пунктом при проектировании одиночного каскада является выбор способа включения в его схему УЭ. Практически в усилителях используются три схемы включения трехполюсного транзистора, так как только при этих трех способах входные сигналы обладают эффективным управляющим воздействием на выходной ток. Эти применяемые способы включения иллюстрирует рис. 1, где приведены эквивалентные схемы каскадов на переменном токе для БПТ. Во всех схемах один из электродов УЭ является общим для входных и выходных зажимов, поэтому схемы на рис. 2, а, б, в называют соответственно схемами общий 16 эмиттер (ОЭ), общая база (ОБ), общий коллектор (ОК). iВЫХ 2 1 iВХ EC iВЫХ 2 iВЫХ 2 1 iВХ UВЫХ YН UВХ 1' 1 iВХ à) 2' EC UВХ 1' UВЫХ б) 2' YН EC UВЫХ YН UВХ 1' в) 2' Рис. 2 При проектировании схемы усилительного каскада один из электродов УЭ, зажимов источника питания или участка цепи обычно присоединяется к точке нулевого потенциала. Такое подключение называется заземлением участка цепи, а точка заземления - общей точкой. Заземление цепи не отражается на работе усилителя, однако играет важную роль в повышении его устойчивости к электромагнитным наводкам, особенно в области высоких частот. Наибольшее усиление по мощности обеспечивает включение УЭ по схеме ОЭ. Это включение считается основным. При нем в каскаде имеет место не только наибольшее усиление по мощности, но как правило, существенные усиления по току и напряжению, приближающееся к максимально достижимым. В ряде случаев получение наибольшего усиления не является главной задачей. В связи с этим часто в усилителях применяются другие схемы включения (см. рис. 2). В схемах с ОК коэффициент передачи по напряжению близок к единице, в результате чего выходной сигнал по величине и фазе повторяет входной (UВХ = UВЫХ). Поэтому эти каскады называются повторителями напряжения (эмиттерными повторителями) (рис. 2, в). Основным достоинством этих каскадов является то, что они обладают малой входной проводимостью и большой выходной. Поэтому указанные каскады используются как согласующие и разделительные. Например, в каскадах, работающих на радиочастотный кабель. Такой кабель является низкоомной нагрузкой, и во избежание шунтирующего ее воздействия на вход каскада последний должен обладать малым выходным сопротивлением. В схемах с ОБ (рис. 2, б) выходной ток практически равен входному, поэтому эти каскады называют повторителями тока. Они не обладают усилением по току, имеют большую входную проводимость и пониженное (по срав- 17 нению с основной схемой) усиление по мощности. Эти схемы применяются ограниченно, в основном в ВЧ каскадах, там, где становится заметным влияние паразитных обратных связей через емкость p-n переходов. 2. Многокаскадные усилители. Способы межкаскадной связи Коэффициент усиления одиночного транзисторного каскада не превышает нескольких десятков. Поэтому для получения больших значений коэффициента усиления используют многокаскадные усилители (МКУ), построенные путем каскадного соединения нескольких одиночных каскадов (рис. 3). Zг Ег . U вх . 1-й U 2 каскад . 2-й U 3 каскад . 3-й U4 каскад Входной Каскады предварительного каскад усиления . U n1 . n-й каскад U в ых ZН Выходной каскад Рис. 3 В общей структуре МКУ можно выделить три основных звена: входной каскад, несколько каскадов предварительного усиления, выходной каскад. На входной каскад возлагается задача создания достаточного превышения усиливаемого сигнала над собственными шумами входного каскада, с тем чтобы обеспечить нормальную работу последующих каскадов, т.е. выполнения требований предельной чувствительности. При этом схемное и конструктивное выполнение входного каскада должно быть реализовано с учетом его малошумного построения, предполагающего использование основных схем включения УЭ, отказ от применения во входных каскадах ПТ с изолированным затвором. Вторая задача - это задача согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением усилительного тракта. Под согласованием здесь понимаются мероприятия по повышению коэффициента передачи входной цепи, которое достигается за счет схемных конфигураций с повышенным входным сопротивлением. Так, включение на входе усилительного тракта дополнительного каскада ОК, хотя и не приводит к повышению коэффициента усиления по напряжению самого тракта, но приближает значение коэффициента передачи входной цепи усилителя к его предельному значению, равному 1. Во входном каскаде стремятся располагать и органы регулировки 18 усиления. Основной функцией каскадов предварительного усиления является обеспечение основного усиления по напряжению. Обычно эти каскады обладают большим усилением, в связи с чем при их построении особое внимание обращается на обеспечение устойчивой и стабильной работы. Поэтому они содержат различные виды ЦОС (рис. 4). В принципе, усилитель может иметь местную и внешнюю, многопетлевую и достаточно сложную структуру цепей ОС (как пассивную, так и активную, как четырехполюсную, так и шестиполюсную). Предварительные каскады должны обеспечить нормальную работу выходВход Выход ного каскада. К1 К2 К3 Выходные каскады предназначены для обеспечения в нагрузке 1 2 требуемых обычно больших сиг24 нальных токов и напряжений, т.е. 14 больших сигнальных мощностей Рис. 4 при высоком КПД и допустимом уровне нелинейных искажений. Поэтому их часто называют усилителями мощности. Многокаскадные усилители имеют большой суммарный коэффициент усиления, порядка 102104 и более. Следовательно, не исключена возможность просачивания через паразитные связи части выходной энергии во входные каскады усилителя. Особенно это возможно в ОВЧ. Поэтому в МКУ приходится учитывать ОС паразитного характера. Чем больше коэффициент усиления МКУ, тем сильнее влияние паразитных связей на его характеристики и параметры. Во избежание самовозбуждения усилителя при проектировании пристальное внимание обращается на применение специальных конструктивных мер для подавления паразитных связей, возможных в усилителе. Способы межкаскадных связей В усилителях в основном применяются следующие виды межкаскадных связей: непосредственная; 19 гальванической; емкостной; трансформаторной; оптронной. Особенностью усилителей с емкостными, трансформаторными и оптронными связями является отсутствие между каскадами связи по постоянному току. Ввиду этого в каждом отдельном каскаде можно установить наиболее оптимальный режим работы по постоянному току (с точки зрения коэффициента усиления, вносимых искажений и т.п.). Если входной сигнал кроме переменной составляющей содержит и постоянную, то после усиления информация о ней будет потеряна. Такие связи имеют место в усилителях переменного тока. Особенностью усилителей с непосредственными и гальваническими связями является наличие связей между каскадами как по переменному, так и по постоянному току. Это накладывает определенные ограничения на выбор режимов работы транзисторов. Усилители с непосредственными межкаскадными связями К схемам с непосредственными межкаскадными связями относится, например, двухтранзисторный усилитель рис. 5, а. Это двухкаскадный усилитель, в котором выходной (коллекторный) вывод первого каскада (на транзисторе VT1) непосредственно соединен с входным (базовым) зажимом второго каскада (на транзисторе VT2). Питание каскадов организовано по схеме последовательного питания каскадов. Такой двухкаскадный усилитель обладает большим устойчивым усилением напряжения и мощности на высоких частотах и находит широкое применение в УВЧ. + Еk + Еk Rk R3 Ср1 Ik02 Сб1 VT2 IЭ02 Ср1 Ik01 uвых uвх Сб1 R2 R2 U0 Сб2 VT1 VT1 uвх R5 R3 Ср1 VT2 R1 R1 R4 R6 R0 Ср2 uвых Еk + б) а) Рис. 5 20 Еще одним примером схемы МКУ с непосредственными межкаскадными связями является схема с параллельным питанием каскадов рис. 5, б. В этой схеме осуществлено чередование транзисторов по типу проводимости. Такое чередование позволяет обеспечить в усилителе работу транзисторов в линейной области ВАХ при относительно невысоких значениях напряжений источников питания. Широкое распространение в аналоговых схемах, выполненных как по интегральной, так и по дискретной технологии, находит схемное построение рис. 6, которое также относится к схемам с непосредственными межкаскадными связями. Основной составной частью этого схемного построения является эмиттерно-связанная пара транзисто+ Еk ров VT1 и VT2 с идентичными (согласованR2 Rk1 Rk2 R3 ными) характеристиками. Ik01 Ik02 VT1 VT2 Типовое включение схемы предполагает IЭ01 использование одного источника напряжения IЭ02 I0 =Ik2 +Еk. В силу симметрии схемы в коллекторных R4 R1 R0 Ik2 цепях транзисторов протекают одинаковые тоIk2 Ik2 Такие схемы используются для органиРис. 6 Ik2 Ik2 зации дифференциальных усилительных каскадов применяемых в микросхемах. ки I k01 I k02 I 0 2 . На их основе реализуются не только схемы усиления, но и устройства регулировки усиления, перемножения и функционального преобразования сигналов. Эта конфигурация является основным звеном УПТ. К достоинствам непосредственных межкаскадных связей следует отнести простоту их реализации, отсутствие при их использовании низкочастотных искажений, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе усилительного тракта в целом за счет охвата этого тракта общей петлей ООС. Непосредственная связь широко используется в усилителях постоянного тока и в аналоговых микросхемах. Усилители с гальваническими межкаскадными связями В аналоговых микросхемах и усилителях постоянного тока часто используется гальваническая межкаскадная связь, которая в отличие от непосредственной предполагает включение в цепь межкаскадной связи специальной потенциалопонижающей схемы, называемой схемой сдвига уровня. 21 Обычно в качестве схемы сдвига уровня используют резистивные цепи, прямо смещенные диоды или стабилитроны. Схема сдвига уровня обеспечивает отличие постоянного потенциала на входе последующего каскада от соответствующего выходного потенциала предшествующего на определенную величину, называемую напряжением сдвига Uсд. Схема сдвига уровня не должна влиять на прохождение сигнальных составляющих. Примеры простейшего МКУ, обладающего указанными свойствами, приведены на рис. 7. В них в роли потенциально сдвигающего элемента использован стабилитрон VD1. Дифференциальное сопротивление стабилитрона пренебрежимо мало, в результате чего он прак+ Еk тически не влияет на прохождение R5 R1 R3 Ср2 сигнальных составляющих, однако Ср1 изменяет потенциалы постоянных соVT2 VT1 ставляющих. uвых uвх Сб1 Сб2 Наиболее широко этот тип связи R 4 R2 используется при построении аналоR6 говых микросхем. Еk + Рис. 7 Каскады и цепи с ёмкостной связью Широкое применение находит емкостная связь, при которой в качестве элемента связи выступает конденсатор, называемый разделительным. Конденсатор разделяет каскады по постоянному напряжению, объединяя их по переменной (сигнальной) составляющей. Этот вид межкаскадной связи применяется в усилителях переменного сигнала. Существенным недостатком емкостной межкаскадной связи является то, что в усилителях сигналов относительно невысоких частот, в том числе и в усилителях звуковой частоты, во избежание существенных низкочастотных искажений требуется использовать конденсаторы большой емкости, что делает невозможным исполнение усилительного тракта в виде микросхемы. Кроме того, при построении усилительного тракта с использованием емкостной связи невозможно повысить стабильность и определенность режимов работы его каскадов за счет охвата тракта в целом соответствующей петлей ОС, т.к. в этом случае петля оказывается разомкнутой на постоянном токе внутри самого усилительного тракта. В то же время 22 емкостные межкаскадные связи часто организуются специально с целью обеспечения дополнительной фильтрации сигналов в низкочастотной спектральной области. Трансформаторная межкаскадная связь Соединение двух участков сигнальной цепи с помощью трансформатора называется трансформаторной связью. К достоинству связи этого вида следует отнести то, что при ее применении выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимизацию значения нагрузки УЭ и тем самым реализовать возможность получения предельных значений сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку. В связи с этим трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора используется в оконечных каскадах УМ, где требуется получение больших сигнальных мощностей и высоких значений КПД. К недостаткам трансформаторной связи следует отнести ее неширокую полосу пропускания, большие габаритные размеры трансформаторов, их массу и стоимость. Пример использования трансформатора в качестве элемента межкаскадной связи приведен на рис. 8. Схема имеет типовое построение на постоянном токе, при этом постоянное напряжение на базу во втором каскаде вводится через вторичную обмотку трансформатора. Оптронные межкаскадные связи В ряде случаев возникает потребность гальванической развязки отдельных звеньев усилительного тракта. При этом широкое применение находит оптоэлектронная развязка, основанная на включении в состав тракта оптрона. Пример такого схемного построения приведен на рис. 9. Здесь светодиод VD2 выступает в роли преобразовате+ Еk TV ля ток - свет. Преобразование R6 R1 R4 имеет нелинейный и температурVT2 Ср1 VT1 но-зависимый характер, поэтому uвых Ср2 в схеме предусмотрена возможuвх Сб1 Сб2 ность охвата УК петлей ООС, R2 R3 R5 R7 Сб3 Еk + Рис. 8 23 действующей как на постоянном, так и на переменном токе. В роли датчика, осуществляющего преобразование светового излучения в ток в этой петле, выступает один из фотодиодов (VD1). Сигнальный ток на входе транЕ зистора VT2 образуется в результате k1+ VD1 VD2 VD3 + Еk2 преобразования свет - ток, осуществR3 Ср1 ляемого с помощью фотодиода VD3. Все фотодиоды работают при обратR2 R5 Ср2 R1 В цепь носмещенных переходах, так как при ОС таком режиме они обладают VT VT наибольшей линейностью преобразо2 1 Сб R R 6 4 вания свет - ток, а также высокой чувuвх ствительностью и быстродействием. Разделяемые оптроном участки тракта Рис. 9 питаются от различных источников Еk1 и Еk2, чем обеспечивается возможность осуществления полной гальванической развязки между разделяемыми участками тракта. 24 Вывод: Усилители находят широкое и разнообразное применение. Они входят в число радиоприемных и радиопередающих устройств, аппаратуры многоканальной электросвязи и передачи данных, измерительной, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры и т.д. и т.п. Современный этап развития электронной техники характеризуется высокой сложностью. Поэтому использование декретных элементов не позволяет создать современную малогабаритную аппаратуру. Дальнейшее повышение технического уровня радиоэлектронной аппаратуры достигается путем её микроминиатюризации за счет применения интегральной технологии. Усилители, выполненные на базе аналоговых интегральных схем, обладают высокой надежностью, малыми габаритами и энергопотреблением и другими высокими качественными показателями. 25 Список используемой литературы: 1. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. М.: Горячая линия Телеком, 2003. – С.2036 2. Якушенко С. А., Ершов Ю. К., Журбин Г. Е., Романов А. Г. Основы схемотехники. Учебное пособие: В 2ч. Новочеркасск, НВИС, 2004. Ч. 1 , С. 34-45.
