Классификация усилителей

Лекция № 5.

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

План

1. Введение.

2. Классификация усилителей.

3. Технические х арактеристики и параметры усилительного каскада.

4. Режимы усиления.

5. Усилители напряжения звуковых и средних частот.

6. Теоретическое обобщение по теме.

 

1. Введение.

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, по току или по мощности за счёт преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Рис.5.1.

На рис.5.1 дана обобщённая функциональная схема электронного усилителя

Усилитель имеет две основные цепи ─ входную, куда включается источник усиливаемого сигнала Е _с, и выходную, куда включается нагрузка Z _н.Последовательно с усилителем включен источник питания Е _п. Схема любого усилителя модулирует энергию этого источника входным управляющим сигналом. Чтобы этот процесс выполнить, схема усилителя должна содержать нелинейный элемент, управляемый входным сигналом U ₁. В качестве нелинейных управляемых элементов в современных усилителях используют, как правило, биполярные и полевые транзисторы (потому их обычно и называют транзисторными усилителями).

В разделе «Элементная база электроники» мы рассматривали биполярный транзистор в статическом режиме ─ в режиме без нагрузки. Это было необходимо для того, чтобы выявить собственные возможности транзистора: его основные параметры, характеристики. После статического режима рассмотрим работу транзистора под нагрузкой ─ в режиме усиления.

 

Классификация усилителей

В простейшем толковании: усилитель ─ это электронное устройство, способное преобразовать (обработать) входной сигнал.

Сигнал ─ это любая физическая переменная величина, значение которой (или её изменение во времени) содержит информацию. Физическими переменными, которые могут нести информацию в электрических системах, являются напряжение и ток, поэтому в дальнейшем под «сигналами» будем понимать напряжение или ток.

Сигнал может нести информацию в двух видах:

а) Аналоговый сигнал переносит информацию в виде непрерывного изменения во времени напряжения или тока, то есть сигнал преобразуется и обрабатывается по закону непрерывной функции.

б) Цифровой сигнал может принимать значения в пределах двух дискретных областей (информация типа «включено-выключено», «да-нет»), то есть такой сигнал преобразуется и обрабатывается по закону дискретной функции.

При любом типе сигнала для его обработки требуется система обработки сигнала. В нашем случае такой системой будет усилитель (напряжения, тока или мощности).

Напряжение (U) ─ это разность потенциалов.

Ток (I) ─ протекание электрического тока обусловлено переносом зарядов тока.

Мощность (Р) ─ это скорость, которой происходит преобразование энергии. Если мощность > 0, то мощность или рассеивается на элементе, или поглощается им, а если мощность < 0, то элемент поставляет мощность в цепь, в которую он включен (случай с использованием туннельного диода как эквивалента отрицательного динамического сопротивления ─ см. лекцию № 1, стр. 25, участок «аб» на ВАХ туннельного диода).

Классификация усилителей идёт по некоторым признакам:

По роду усиливаемого сигнала:

· усилители гармонических сигналов (непрерывных колебаний);

· усилители импульсных сигналов.

·  усилители постоянного тока (УПТ);

По функциональному назначению:

· усилители напряжения;

· усилители тока;

· усилители мощности.

По диапазону усиливаемых частот:

· усилители напряжения звуковой частоты ─ УЗЧ (прежнее название ─ усилители напряжения низкой частоты (УНЧ)). Диапазон частот таких усилителей ─ от десятков Гц до десятков или сотен кГц;

· усилители напряжения радиочастот УРЧ (прежнее название ─ усилители напряжения высокой частоты (УВЧ));

· избирательные (резонансные) усилители (узкополосные);

· широкополосные усилители (от сотен кГЦ до сотен Мгц).

По виду соединительных цепей усилительных каскадов:

· усилительные каскады с гальваническими междукаскадными связями (непосредственные связи);

· усилительные каскады с емкостными связями;

· усилительные каскады с индуктивными (трансформаторными) связями (в настоящее время индуктивная связь применяется крайне редко).

По характеру нагрузки:

· усилители с активной нагрузкой;

· усилители с ёмкостной нагрузкой;

· усилители с индуктивной нагрузкой.

 

3. Технические характеристики и параметры электронного усилителя.

 

3.1. АЧХ ─ амплитудночастотная характеристика усилителя ─ зависимость коэффициента усиления от частоты (рис.5.2.а);

3.2. ФЧХ ─ фазочастотная характеристика ─ зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Фазовые искажения оцениваются по тем же причинам, что и частотные (рис.5.2.б).

 

 

а).

б)

Рис. 5.2.. Характеристики усилителя: а ─ типовая АЧХ; б ─ типовая ФЧХ

Если усиливается сигнал небольшой амплитуды, то заметного искажения выходного полезного сигнала не происходит. Но если сигнал достаточно сложной формы, с «большим набором» гармоник, то на выходе будем наблюдать большие искажения: в схеме усилителя всегда имеют место реактивные элементы, которые реагируют неодинаково на частоту. Такие искажения в выходном сигнале получили название частотных и оцениваются они коэффициентом частотных искажений:

    

где М _н и М _в─ коэффициенты частотных искажений на нижних и верхних граничных частотах соответственно; К _н и К _в   ─ коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах соответственно; К ₀─ коэффициент усиления на средних частотах.

3.3. Передаточная характеристика ─ это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного.

 

 

Рис.5.3. Передаточная характеристика  неинвертирующего усилителя

Рис.5.4. Передаточная характеристика  инвертирующего усилителя

 

 

На рис.5.3 приведена передаточная характеристика усилителя, который фазу входного сигнала на выходе не изменяет, а на рис.5.4 усилитель фазу входного сигнала на выходе изменяет на противоположную. Но для обоих вариантов усилителей рабочим участком является участок «АВ». Линия идеальной передаточной характеристики (пунктиром) практически совпадает с рабочим участком характеристики.

Точка «О» на рис.5.3. ─ это точка уровня напряжения шумов. Различить полезный сигнал на фоне шумов можно только после точки «В».

После точки «А» ─ явно выраженные нелинейные искажения входного сигнала. Уровень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений

где U _1max, U _2max, U _3max…., U _nmax   ─ амплитуды гармоник, из которых основной является первая гармоника (U _1max,).

Входная характеристика у транзистора имеет нелинейный характер, поэтому поданный на вход усилителя сигнал синусоидальной формы претерпевает изменения и на выходе он уже отличается от синусоидального. Таким образом, сам транзистор является источником нелинейных искажений. Если амплитуда входного сигнала остаётся в пределах прямолинейного участка «АВ», то искажения полезного выходного сигнала будут минимальными, поэтому многокаскадные усилители строят таким образом, чтобы первые каскады усиления работали при низких уровнях входного сигнала. Нелинейные искажения, в этом случае, появятся только в выходном каскаде, который работает в режиме большого сигнала, и нелинейные искажения не получат дальнейшего усиления.

3.4. Параметры усилителя:

· коэффициент усиления по напряжению

· коэффициент усиления по току

· коэффициент усиления по мощности

· коэффициент полезного действия

· входное и выходное сопротивления усилителя по переменной составляющей сигнала.

Коэффициенты усиления могут быть выражены как в относительных единицах, так и в логарифмических ─ децибелах.

Для получения достаточно большого коэффициента усиления используют включение нескольких каскадов, так как в этом случае общий коэффициент усиления (если он будет выражен в относительных единицах) будет равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Если же коэффициент усиления выражен в децибелах, то в многокаскадном усилителе общий коэффициент усиления будет равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов.

 

4. Режимы усиления

Режимы усиления выделены в несколько классов. Для усилителей наиболее распространенными являются классы А, В, С, Д или их комбинированные варианты (АВ, АВ ₁ и т.д.).На рис.5.5даны временные диаграммы коллекторного тока в режимах усиления класса «А» и «В». Форма коллекторного тока дает представление об уровне нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя в зависимости от класса усиления.

4.1. В режиме класса «А» форма коллекторного тока почти идеальная, то есть уровень нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя будет практически незаметен. Такая совершенная форма выходного коллекторного тока возможна лишь в том случае, если рабочая точка задана на квазилинейном участке ВАХ (в данном случае на рис.6.5а это точка РТ ₁): положение РТ выбирают так, чтобы амплитуда переменной составляющей выходного тока была меньше тока покоя. В режиме класса «А» ток через транзистор течет непрерывно в течение всего периода изменения входного сигнала.

Для оценки времени протекания тока через транзистор вводится понятие угла отсечки коллекторного тока «q» - это половина интервала времени, в течение которого через транзистор течет ток. Угол отсечки коллекторного тока выражен обычно в градусах или радианах. В режиме класса «А» угол отсечки коллекторного тока q _А = 180^о.

 

 

Рис.5.5. Режимы усиления класса «А» и «В»: а- передаточная ВАХ;  б - временные диаграммы коллекторного тока для режимов кл. «А» и кл. «В»; в - временные диаграммы входного напряжения при разных положениях РТ

 

 

К недостатку рассмотренного режима следует отнести низкий коэффициент полезного действия (КПД < 0,5) за счёт большого коллекторного тока покоя. Из-за низкого КПД режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

4.2. В режиме класса «В» рабочая точка задаётся при токе покоя I _кп =0 (на рис. 5.5а это РТ ₂). Из временной диаграммы коллекторного тока (рис.5.5б) видно, чтоформа его далека от идеальной, то есть уровень нелинейных искажений по сравнению с режимом класса «А» резко возрос. Но КПД усилителя достаточно высокий за счёт малого тока покоя, поэтому режим класса «В» рекомендуется использовать в двухтактных выходных усилителях средней и большой мощности, но надо отметить, что в чистом виде этот режим используется редко. Чаще в качестве рабочего режима используется промежуточный режим - режим класса «АВ» в котором меньше нелинейные искажения. Угол отсечки коллекторного тока в режиме класса «В» в идеальном случае q _В = 90 ^о, а в режимекласса «АВ» ─ θ _АВ > 90 ^о.

4.3. В режиме класса «С» ток покоя равен нулю, угол отсечки меньше, чем в режиме класса «В». Режим класса «С» рекомендуется использовать в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.

4.4. В режиме класса «Д» транзистор находится в двух устойчивых состояниях - «открыт-закрыт», то есть режим класса «Д» - это ключевой режим.

 

5. Усилители напряжения звуковых и средних частот

 

В зависимости от частотного диапазона характер нагрузки меняется; в диапазоне звуковых частот в качестве такой нагрузки в коллекторной цепи используется обычный резистор (рис. 5.6а), а в высокочастотном диапазоне - избирательная система, например, параллельный колебательный контур (рис. 5.6б).

 

а).

б).

Рис. 5.6. Схемы усилителей: а - усилитель напряжения звуковой частоты;
 б - усилитель радиочастот

На рис.5.6:

ГЗЧ ─ генератор напряжения низких частот (звуковых).

ГРЧ ─ генератор напряжения высоких частот (радиочастот).

 

Особенности каждой из схем усилителей на биполярном транзисторе при разных схемах включения.

В качестве усилителей мощности на биполярных транзисторах наибольшее распространение получили схемы с ОЭ, так как при таком включении схема обеспечивает усиление и по току, и по напряжению.

Хорошим усилением по напряжению обладает схема усилителя на транзисторе с ОБ, но она не усиливает по току и имеет плохие согласующие свойства, что важно в случае многоступенных усилителей. Но не надо забывать о том, что транзистор в схеме с ОБ показывает лучшие (среди трёх схем включения) температурные и частотные свойства, и, кроме того, эта схема хорошо усиливает по напряжению, поэтому она может быть использована в качестве усилителя мощности.

 Схема усилителя на транзисторе с ОК имеет лучшие согласующие свойства, она лучше других усиливает по току, но усиления напряжения в ней нет.

Рабочий режим транзистора в схемах с ОЭ и ОБ характеризуется включением нагрузки в цепь коллектора, а в схеме с ОК ─ в цепь эмиттера.

5.1. Способы п одачи напряжения смещения в усилителях.

Недостатком схем с автономным смещением (рис.5.6) является наличие двух источников напряжения (Е _см и   Е _к).

Вопрос задания рабочей точки (РТ) решается двумя способами - она задается либо автономным независимым источником (рис.5.6), но этот метод неэкономичен особенно в многоступенных усилителях, либо применяется автоматическая подача напряжения смещения в цепь базы. В современных усилительных каскадах предпочтенье отдаётся второму способу: схема «сама» вырабатывает напряжение автосмещения для того, чтобы задать РТ. Рабочая точка задается постоянными составляющими токов и напряжений в режиме покоя. На рис. 5.7 и 5.8 даны две схемы усилителей на транзисторах с ОЭ с автоматической подачей напряжения смещения в цепь базы.

Существует два метода автоматической подачи напряжения в цепь базы:

1. Подача напряжения смещения от источника коллекторного напряжения Е _к через гасящий резистор (на рис.5.7 ─ через резистор R _б1) ─ метод фиксированного тока.

2. Подача напряжения смещения от источника коллекторного напряжения Е _к через делитель напряжения (на рис.5.8 ─ делитель напряжения из резисторов R _б1 и R _б2) ─ метод фиксированного напряжения.

 

5.2. О назначении элементов в схемах усилителей на рис. 5.7; рис.5.8.

 

Внимание. Пункт 5.2. проработать надо особенно внимательно и не торопясь: чтобы в дальнейшем уметь проектировать электронные усилители, необходимо чётко представлять назначение каждого элемента, его роль при настройке усилителя в определённом режиме.

 

 

Рис. 5.7. Схема УЗЧ с ОЭ с автосмещением через гасящий резистор

Рис.5.8. Схема УЗЧ с ОЭ с автосмещением через делитель напряжения

· Е _к - напряжение источника питания в коллекторных цепях усилителей. Энергию этого источника схема преобразует в переменную и подчиняет форме входного сигнала.

· Генератор переменной ЭДС (U _вх)   на входе усилителей - напряжение этого генератора надо будет усиливать.

· Разделительные конденсаторы С _р1(и С _р2) не допускают поступления на вход усилителя постоянной составляющей, которая может быть в генераторе переменной ЭДС (от генератора входного сигнала U _вх). Сопротивления этих конденсаторов на самой низкой частоте должны быть минимальными, чтобы не произошло «завала» частотной характеристики. На рис.5.9 приведена схема замещения входной цепи усилителя с акцентом на потери (U _c) полезного входного сигнала  на сопротивлении разделительного конденсатора. Ранее, на рис 5.2, была показана АЧХ усилителя, на которой виден срез («завал») на низкой частоте, одной из причин которого может оказаться неправильно подобранная ёмкость разделительного конденсатора.

 

 

Рис.5.9.. Влияние сопротивления конденсатора Срна коэффициент усиления по напряжению (Uбэ = Uвх - I б X c, где  I б X c - падение напряжения полезного переменного сигнала на сопротивлении конденсатора).

 

 

· С _б - блокировочный конденсатор. С _б устраняет потери полезного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е _к.

· Резисторы R _{б 1} , R _{б 2} , R _э - элементы автосмещения и температурнойстабилизации положения РТ на ВАХ ─ режимные элементы.

· Резистор R _к - нагрузка в коллекторной цепи.

· Ключ «К» в схеме на рис.5.8 в цепи эмиттера - коммутирует цепь конденсатора С _э (ключ отключает или включает в схему конденсатор С _э). Сопротивление конденсатора   С _э по переменной составляющей тока в 5 …10 раз меньше сопротивления   R _э. При положении ключа «К» в позиции «замкнут» конденсатор С _эшунтирует резистор R _э (φ_э~ ≈ 0) и, таким образом, в схеме усилителя устраняется ООС по переменной составляющей тока. При разомкнутом ключе «К» в схеме будет действовать ООС по переменной составляющей тока, которая значительно повлияет на усилительные свойства усилителя по напряжению (ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя по напряжению).

Примечание. По ООС материал дан в лекции 7.

 

5.3. П роектирование и расчёт усилительных каскадов.

 

Для нормальной работы усилительного каскада (отсутствие нелинейных, частотных искажений, влияние температурного фактора и пр.) необходимо обеспечить требуемый режим при отсутствии входного сигнала, то есть установить определенные токи и напряжения, значения которых зависят от схемного решения усилительного каскада и от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик.

Расчёт схемы усилителя можно вести аналитическим, или графоаналитическим способами.

Аналитический способ расчёта усилителя ведётся на основании законов и формул, с которыми Вы ознакомились в курсе Электротехники.

Графоаналитический способ расчёта усилительного каскада ведётся с использованием вольтамперных характеристик транзистора, на котором проектируется усилитель

Мы объединим эти два способа.

Расчёт усилительного каскада будем вести в два этапа:

В 1-ом этапе проектирования мы подготовим усилитель к основной его функции ─ усилению входного переменного сигнала. В 1-ом этапе расчёта определим положение рабочей точки (РТ) на ВАХ, рассчитаем режимные элементы под эту РТ, рассчитаем элементы температурной стабилизации РТ на ВАХ. Все эти расчёты проводятся в режиме покоя ─ это режим, когда генератор входного переменного сигнала отключен, и во входных, и выходных цепях усилителя действуют только постоянные источники напряжения. Токи, протекающие в цепях эмиттера, базы, коллектора, называются токами покоя.

Во 2-ом этапе проектирования по результатам работы первого этапа рассчитаем основные параметры усиления ─ коэффициенты усиления по току, по напряжению, по мощности, коэффициент полезного действия.

 

5.3.1. Графоаналитический расчёт усилителей.