НА ТРАНЗИСТОРАХ
1.1 Классы усиления усилительных каскадов
Рассмотрим на примере каскада с ОЭ (см. схему и характеристики, приведенные на рис.1.1 а, б). Класс усиления (режим работы) определяется величиной и знаком напряжения UСМ. Различают классы A, B, AB, C и Д.
Класс A. Это режим работы, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала. Для каскада с ОЭ (n-p-n) 
, UСМ должно быть положительным и превосходить максимальную амплитуду UC. По характеристикам находим UСМ и допустимый диапазон изменения входного сигнала, которые обеспечивают максимальную амплитуду выходного сигнала при условии минимальных его искажений. Для этого по входной характеристике (рис. 1.1 а) находят 
, соответствующий началу линейного участка входной характеристики транзистора. По выходным характеристикам (рис. 1.1 б) находят 
и 
, соответствующие току , а также 
, соответствующий границе активного режима работы транзистора и режима насыщения (точка HC), т.е. :
.
По этим двум значениям, зная 
, находят 
и 
.
Для класса A характерно следующее:
1) определяется класс A выбором точки покоя П в средней части нагрузочной характеристики выходной цепи транзистора (рис. 1.1 в);
2) форма выходного сигнала UВЫХ, повторяет форму UВХ за счет работы транзистора в активной области без захода в области насыщения и отсечки;
3) транзистор работает в линейной области, что обеспечивает минимальное нелинейное искажение сигнала;
4) низкий К.П.Д. 
0,5, что объясняется постоянным 
в цепи 
и в результате в транзисторе рассеивается мощность 
;
5) из-за малого К.П.Д. класс A применяется только в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых К.П.Д. не особенно важен, но необходим малый коэффициент нелинейных искажений.
Класс B. Это режим каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения UВХ. При этом выбирается 
(рис. 1.1 в).
Мощность рассеивания в каскаде при UС=0 также равна “0”, т.к. транзистор находится в режиме отсечки. Класс B формируется при смещении точки покоя П в нижний участок линии нагрузки RК (рис.1в). При этом снижается 
, что улучшает энергетические показатели каскада.
Для класса B характерно:
1) К.П.Д. около 0,7;
2) используется в усилителях средней и большой мощности;
 |
Рис.1.1 Входная характеристика каскада с ОЭ (а); Выходная
характеристика каскада с ОЭ (б); Характеристика каскада
в режиме А (в); Характеристика каскада в режиме В (г)
3) происходит усиление только одной положительной полуволны усиливаемого сигнала UВХ, поэтому выходной 
имеет прерывистый характер;
4) недостатком является значительные нелинейные искажения UВЫХ (называются “ступеньки”);
5) большие искажения способствуют редкому применению класса B в усилителях;
6) устраняется “ступенька” введением в каскад 
. При этом в цепи выходной протекает ток покоя, который меньше 
, что обеспечивает высокий К.П.Д. каскада;
7) для усиления как положительной, так и отрицательной полуволны применяют двухтактные усилители, работающие в режиме B. Изготавливают в виде UC в едином кристалле полупроводника, что позволяет обеспечивать идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2 (рис. 1.2).
Рис. 1.2 Схема двухтактного усилителя и его характеристики
Класс AB. В этом режиме ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины изменения UВХ. Режим формируется при выборе 
.
Особенности:
1) применяется при построении выходных каскадов усилителей мощности;
2) при высоком К.П.Д. класс AB обеспечивает получение небольших искажений UВЫХ;
3) режим AB применяется, когда нагрузкой транзисторного каскада является колебательный контур, в котором необходимо обеспечить незатухающие колебания;
4) режим AB формируется при 
.
Класс усиления C. В этом режиме ток в выходной цепи транзистора протекает меньше половины периода изменения напряжения входного сигнала. В классе C транзистор больше половины периода находится в состоянии отсечки (точка ОТ на рис 1.1 б.). При этом ток транзистора почти равен нулю. В этом режиме точки покоя находится в области отсечки. Режим “C” применяется в мощных резонансных усилителях (например, в радиопередающих устройствах).
Класс усиления D. В этом режиме транзистор может находиться только в состоянии включено (режим насыщения биполярного транзистора) или выключено (режим отсечки транзистора). Режим “D” называют ключевым.
Особенности:
1) ток в выходной цепи принимает только два значения и 
;
2) К.П.Д. усилителя около “1”;
3) условие выполнения режима “D”: 
или 
или > 
;
4) 
каскада имеет форму прямоугольного импульса; 
.
1.2 Составной транзистор
Служит для увеличения коэффициента передачи тока транзистора, который определяет коэффициент усиления усилителя. Решается вопрос каскадным включением нескольких транзисторов. Впервые предложил Дарлингтон и схемы называются его именем (рис.1.3).
Рис.1.3 Схема составного транзистора
Транзисторы в схеме n-p-n, включены с ОЭ:
; 
;
; полагаем 
; выразим 
через 
:
.
Суммарный выходной ток составного транзистора равен:
Учитывая, что 
, получаем 
, т.е. суммарный коэффициент передачи тока равен произведению коэффициента передачи отдельных транзисторов. Для работы схемы необходимо, чтобы 
, иначе схема не работает из-за разрыва цепи протекания тока 
. Для устранения этого недостатка эмиттерный переход транзистора VT2 обычно шунтируется резистором смещения RСМ. Максимально допустимое сопротивление RСМ определяется из условия, что создаваемое на нем от протекания тока IКБО падение напряжения недостаточно для отпирания транзистора и обычно приводится в справочных данных на транзистор.
1.3 Дифференциальный усилитель
Это балансный (мостовой) усилитель (рис. 1.4 а, б).
Преимущества дифференциального усилителя:
1) большой коэффициент усиления дифференциальных сигналов;
2) высокая степень подавления синфазных помех;
3) высокая стабильность параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов.
Усилитель состоит из двух каскадов, у которых используется общий эмиттерный резистор. Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания с напряжением UП, а в другую – сопротивление нагрузки RН. По схеме замещения получаем условие баланса моста, при котором его выходное напряжение равно нулю:
;
.
При нарушении этого условия происходит разбалансировка моста и появляется , пропорциональное возникшему разбалансу. Разбаланс может вызываться изменением выходных сопротивлений 
и 
, которые зависят от 
и 
. Поэтому необходимо, чтобы все элементы дифференциального каскада были идентичны.
каскада равно 
.
Для сбалансированного моста изменение 
не вызывает изменение 
. Через токи коллекторов 
. При изменении температуры окружающей среды изменяется оба тока коллектора, и не изменится. Т.к. дифференциальный. каскад имеет два входа и два выхода, то на него можно подавать и снимать симметричные приращения сигналов.
,
где 
- коэффициент усиления каскада на транзисторе 
; 
- коэффициент усиления каскада на 
. В общем случае 
; 
.
,
где 
- коэффициент усиления дифференциального усилителя. В дифференциальном усилителе присутствует дрейф нуля. Существуют два способа снижения дрейфа нуля: подбор пар транзисторов с одинаковыми параметрами; увеличение 
.
Первый способ реализуется технологическим путем за счет одновременного изготовления обоих транзисторов дифференциального усилителя на общем кристалле, т.е. применением методов интегральной технологии. При втором способе, увеличение наталкивается на ограничения, связанные с максимально допустимым напряжением питания усилителя. Увеличение приводит к тому, что уменьшается напряжение между выводами эмиттера и коллектора транзисторов дифференциального каскада. Следовательно, при этом падает амплитуда выходного сигнала усилителя. По этой же причине увеличение 
ограничивает увеличение 
, что также снижает коэффициент усиления каскада. Решается эта проблема при использовании в эмиттерной цепи нелинейного двухполюсника, например транзисторного источника тока на биполярном или полевом транзисторе (см. рисунок).
Дифференциальный усилительный каскад на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом (рис.1.5) увеличивает входное сопротивление каскада и отличается более высокой стабильностью характеристик. Особенностью этой схемы является использование в качестве истокового токозадающего элемента источника тока на транзисторе 
и резисторе 
. 
и 
служат для задания начального смещения 
и 
.
Входное сопротивление каскада на биполярных транзисторах увеличивается при использовании составных транзисторов (рис. 1.6).
Применение составных транзисторов позволяет уменьшить входной ток усилителя, что важно при использовании интегральной схемы, кроме того, позволяет значительно поднять усиление каскада.
1.3.1 Активные нагрузки для дифференциального усилителя
Дифференциальный усилитель с токовым зеркалом имеет несимметричный выход, в котором складываются приращения 
левого и правого транзисторов (рис.1.7).
Рис.1.7 Дифференциальный усилитель с
токовым зеркалом
1.4 Источники постоянного тока и напряжения
Построение источников на транзисторах основано на следующем. Биполярный транзистор работает в активном режиме при постоянном значении базового тока, то его выходной ток мало зависит от напряжения между выводами эмиттера и коллектора. Аналогично для полевого транзистора, работающего в насыщенном режиме при постоянном напряжении на затворе.
1.4.1 Источник тока на биполярных транзисторах
При подаче на базу транзистора постоянного тока 
, транзистор работает в активном режиме (рис.1.8).
Рис. 1.8 Источник тока на биполярных транзисторах (а);
Выходная характеристика источника тока (б)
При заданном значении 
точка пересечения нагрузочной прямой, соответствующей значению 
, должна лежать на отрезке а его выходной характеристики, сопротивление 
. Следовательно, значение 
и 
, можно определить , при котором транзистор можно рассматривать как источник тока. 
. Т.к. 
малая величина 
, отклонение 
для всего диапазона изменений не превышает нескольких процентов и схема рассматривается как идеальный источник тока. Задача проектирования источника тока сводится к проблеме задания постоянного . Для этого необходима стабилизация 
. Осуществляется двумя способами. Первый способ заключается в стабилизации эмиттерного напряжения VT диодом VD, смещенным в прямом направлении (рис. 1.9).
 |
Рис.1.9 Схема стабилизации UБЭ диодом VД (а);
Схема стабилизации UБЭ с помощью стабилитрона (б)
Ток диода задается резистором 
. В схеме на рис. 1.9 а эмиттерный переход шунтируется диодом, напряжение на котором не зависит от изменения внешних условий и 
и 
будут постоянными. Также обеспечивается получение хорошей температурной стабильности, т.к. температурные изменения компенсируются соответствующими изменениями напряжения диода. Повысить стабильность выходного тока в рассматриваемой схеме можно с помощью последовательной ООС по току. Ведение 
требует увеличения напряжения на базе транзистора. Поэтому в этом случае в качестве источника постоянного напряжения используется стабилитрон (рис. 1.9 б).
.
Для получения хорошей температурной стабильности необходимо, чтобы ТКН стабилитрона компенсировал температурные изменения параметров транзисторов.
1.4.2 Источник тока на полевом транзисторе
Если источник выполняется на МДП-транзисторе то можно применить аналогичную схему на биполярном транзисторе. Источник тока на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом получен при закорачивании выводов затвора и истока (рис.1.10).
Т.к. напряжение между затвором и истоком зафиксировано на нулевом, ток стока будет равен своему максимальному значению 
.
|
Стабильность полученного тока полностью определяется стабильностью характеристик транзистора. Уменьшить выходной ток такого источника можно введением в истоковую цепь транзистора дополнительного резистора . определяемого следующим образом. По передаточной характеристике полевого транзистора для заданного выход-
ного тока 
определяют соответствующее ему напряжение 
. 
, определяется или графически по наклону нагрузочной прямой, проведенной через начало координат и очку передаточной характеристики транзистора с координатами и 
. Т.к. формирует ООС по выходному току, стабильность параметров данной схемы будет выше. Аналогично проектируется источник тока на МДП-транзисторе. Если поставить резистор 
переменный, то будет регулируемый источник тока.
1.4.3 Источники постоянного напряжения
Строится на основе источника постоянного тока. Для этого выходной ток источника пропускают через резистор с неизменным сопротивлением (рис. 1.11).
 |
Рис.1.11 Источник напряжения (а);
Источник напряжения с согласованием R1 и RH (б)
На рис. 1.11 а) в качестве источника постоянного тока 
используется полевой транзистор VT с истоковым резистором 
, а в качестве преобразователя ток-напряжение – эталонный резистор 
. При 
; 
При других значениях 
; 
.
Отсюда следует, что чем больше 
и 
и меньше 
, тем менее стабильным будет 
. Значения и обычно заданы. Повышение стабильности возможно при уменьшении , но это требует увеличения тока 
, что в основном неприемлемо. Улучшить параметры устройства можно, используя для согласования сопротивлений и эмиттерного или истокового повторителей (рис. 1.11 б). Относительное изменение , вызванное изменением
При 
введение эмиттерного повторителя в 
раз уменьшает 
, связанное с изменением . Схему на рис.1.11 а можно улучшить, применяя вместо 
диод или стабилитрон – элементы с малым дифференциальным сопротивлением.
1.5 Многокаскадные усилители
1.5.1 Усилители постоянного тока
Усилители постоянного тока усиливают входной сигнал без нарушения постоянной и переменной составляющей, исключая из схемы 3-х каскадного усилителя переменного тока примера реактивные элементы, которые препятствуют передаче очень медленных изменений входного напряжения или тока (конденсаторы или трансформаторы связи), получим схему УПТ (рис. 1.12).
 |
Рис. 1.12 Усилитель постоянного тока
При проектировании решаются две задачи: согласование режимов работы каскадов по постоянному току и устранение дрейфа нуля.
1.5.2 Согласование режимов работы по постоянному току
Для согласования режимов по постоянному току необходимо, чтобы напряжение на эмиттерном резисторе каждого последующего каскада компенсировало постоянную составляющую режима покоя предыдущего каскада, т. е., должно выполняться:
URэi +UКэi -UБэi+1=URэi+1
Однако применение этого метода приводит к увеличению глубины местной последовательной ООС потоку последующих каскадов и уменьшению коэффициента усиления. Если каскадов больше трех, то коэффициент усиления будет около 1. Устранить этот недостаток можно, используя в эмиттерных цепях транзисторах нелинейные элементы, стабилитроны, падение напряжения на которых не зависит от их сопротивления. Проектирование по этому принципу возможно для усилителей из трех каскадов, усилитель при этом имеет следующие недостатки: 1) определенный предел по коэффициенту усиления; 2) если сопротивление источника напряжения на входе не будет постоянным, то его усиление будет восприниматься усилителем как входной сигнал; 3) при отсутствии входного сигнала на выходе усилителя присутствует постоянное напряжение, обусловленное режимом покоя выходного транзистора усилителя.
Устранить указанные недостатки можно введением во входную и выходную цепи усилителя дополнительных делителей напряжения (показаны штриховой линией на предыдущей схеме). Но это усложняет схему и увеличивает мощность рассеяния. Кроме того, повышается Rвых. усилителя.
Устранить постоянные составляющие на входе и выходе усилителя можно, используя схему сдвига (рис. 1.13).
Рис.1.13 Схема согласования режимов работы каскадов усилителя
по постоянному току
Метод заключается в том, что если некоторый делитель напряжения подключен к двум последовательно соединенным источникам питания, то сопротивления его резисторов всегда можно подобрать так, что относительно средней точки источников питания напряжение на выходе делителя будет равно 0. При этом в устройство вводится дополнительный источник питания, полярность которого противоположна основного источника питания и межкаскадные связи осуществляются через резистивные делители напряжения. Если заданы параметры режима покоя базовой цепи UБЭП, IБП, то сопротивления резисторов делителей связи равны
RСМ1=Uдоп/KIБП; Rдел.1=UБЭП/KIБП; Rб=(Un-UБЭП)/KIБП,
где K³10–коэффициент, показывающий превышение током делителя тока базы.
Данный метод осуществляет согласование по постоянному и переменному току каскадов усилителя, но при этом снижается суммарный коэффициент усиления и усложняется схема усилителя.
1.5.3 Уменьшение дрейфа нуля усилителя
Дрейф нуля Uдр вых.к=DIКП ×Rк. Приведенный дрейф нуля усилителя – эквивалентное напряжение, действующее на его входе, которое создает такое же изменение его выходного напряжения, как и действие внешних дестабилизирующих факторов. Суммарное напряжение дрейфа всего усилителя на выходе
,
где K1, K2, K3 – коэффициент усиления каскадов.
Самое большое влияние на дрейф оказывает 1-ый каскад, поэтому при проектировании необходимо увеличить его коэффициент усиления и уменьшить дрейф нуля. Дрейф уменьшается при введении цепи ООС (эмиттерные резисторы показаны штриховой линией), но это уменьшает коэффициент усиления. При проектировании УПТ применяют два основных способа уменьшения дрейфа нуля усилителя: 1) уменьшение величины, влияющих на усилитель внешних дестабилизирующих факторов, 2) снижение чувствительности усилителя к воздействию внешних дестабилизирующих факторов.
Проблема дрейфа нуля возникла при исключении их схемы усилителя разделительных конденсаторов, которые препятствовали подаче постоянной составляющей напряжения из предыдущего каскада в последующий, т.е. устраняли путь передачи дрейфовых составляющих со входа усилителя на его выход. Но в УПТ входной сигнал также содержит постоянную составляющую, которая после усиления должна присутствовать на выходе усилителя. Поэтому необходимо разделить полезную и дрейфовую составляющие во входном напряжении.
В усилителе переменного тока дрейф нуля отсутствует. входная постоянная составляющая подается на усилитель от внешнего источника, а дрейфовая появляется в усилителе. Поэтому, если на входе усилителя переменного тока постоянную составляющую входного сигнала преобразовать в переменную, на выходе выполнить обратное преобразование, то в Uвых. дрейфовые составляющие будут полностью отсутствовать.
Структурная схема УПТ и диаграмма для этого метода на рис.1.14. Входной сигнал усилителя подается на устройство-модулятор(М), предназначенный для преобразования постоянного напряжения в переменное. Это два переключателя, изменяющие полярность подключения Uвых. источника сигнала ко входу усилителя с частотой, задаваемой внешней задающим генератором. Переменное напряжение U1 с выхода модулятора подается на вход усилителя переменного тока с требуемым коэффициентом усиления К. Усиленное переменное напряжение U1 с выхода усилителя поступает на вход демодулятора ДМ, которое осуществляет преобразование переменного тока в постоянный. ДМ должен работать синхронно и синфазно с модулятором.
С выхода демодулятора усиленное напряжение постоянного тока подается в нагрузку. Дрейф в этой схеме полностью устранен. Погрешности на выходе обусловлены только точностью преобразования постоянного тока в переменный, т. е. определяются параметрами модулятора. УПТ, построенный по этому принципу, называется М-ДМ ус
Недостатки: 1) наличие в Uвых. усилителя составляющей переменного тока, частота которой равна частоте задающего генератора. Это определяется погрешностью работы М и ДМ. Для устранения составляющей на выходе нужен фильтр. 2) Недостаточно широкая полоса пропускания усилителя. Это зависит от илителем постоянного тока или ПТ с двойным преобразованием. Превышения частоты М и ДМ в
два раза частоты входного сигнала и от установки на выходе фильтра для подавления составляющих с частотой работы задающего генератора. Для уменьшения дрейфа усилителя строят УПТ на дифференциальном каскаде..
1.6 Усилитель мощности
Назначение – получение заданной мощности в нагрузке с минимальными искажениями сигнала. При расчете задаются RН и выделяемая мощность в нагрузке РН.
Основные параметры: КПД коэффициента гармоник КГ. В многокаскадных усилителях усилитель мощности является входным каскадом. Rвых. должно быть малым. Цепи ООС должны быть только по напряжению. В выходных усилителях мощности применяются двухтактные схемы усиления, обеспечивающих работу выходных транзисторов в режиме класса В и АВ. УМ выполняются по трансформаторным и бестрансформаторной схемам, но в основном применяются бестрансформаторные схемы, что упрощает схему и исключает крупные элементы – трансформаторы.
1.6.1 Двухтактный усилитель мощности в режиме В
Рассмотрим двухтактный усилитель на комплектарных транзисторах (различной проводимости) (рис.1.15). Схема состоит из двух двухполюсников, каждый из которых состоит из последовательно соединенных транзистора и источника питания, подключенных к общей нагрузке. Эти двухполюсники называются плечами усилителя. Эмиттерные переходы VT1 и VT2 включены параллельно и на их входы подается управляющее напряжение Uвх..
Каскад работает в классе В, т. к. нет источника смещения. В каждый полупериод Uвх. ток нагрузки формируется своим плечом усилителя, а т. к. полярность напряжений питания плеч усилителя различна, в нагрузке протекает переменный ток.
Если на входе усилителя синусоидальное напряжение с периодом Т и он работает на активную нагрузку RН. Амплитуда выходного напряжения Uн max=gUn, где g - относительная амплитуда выходного напряжения, 0£g£1. Мощность в нагрузке
,
,
КПД=Pн/Pn=gp/4=gКПДmax. КПДmax=0,785.
C увеличением амплитуды выходного сигнала КПД усилителя монотонно растет.
1.6.2 Двухтактный усилитель мощности в режиме АВ
В режиме В присутствуют большие нелинейные искажения, поэтому чаще используется режим АВ, но при этом снижается КПД усилителя. В схеме на рис.1.16 для обеспечения режима работы класса АВ использованы дополнительные цепи смещения, которые состоят из резисторов Rсм1. и Rсм2., образующих с диодами VД1 и VД2 нелинейные делители напряжения.
Использование в делителях диодов позволяет дополнительно обеспечить параметрическую стабилизацию режима покоя усилителя. Температурные изменения напряжения на диодах компенсируют температурные изменения напряжения эмиттерных переходов транзисторов. Транзисторы включены по схеме с общим коллектором, что уменьшает выходное сопротивление усилителя. Недостатком двух рассмотренных схем является наличие двух источников питания. Это можно устранить, подключив нагрузку через разделительный конденсатор к общему выводу схемы (рис.1.17).
Каскад на VT1 применяется для формирования напряжения, управляющего выходными транзисторами VT2 и VT3. Резисторы в эмиттерной цепи VT1 создает цепь последовательной ООС по выходному току, что стабилизирует режим работы каскада. Резистор смещения рабочей точки Rдел. 1 VT1 подключен к выходу усилителя. Это формирует цепь общей параллельной ООС по выходному напряжению, стабилизирующую режим покоя усилителя и уменьшающую его выходное сопротивление. Резистор Rсм. обеспечивает работу выходных транзисторов усилителя в режиме класса АВ. Для параметрической стабилизации этого режима используется терморезистор. Резистор Rк является нагрузочным для каскада усиления на VT1. Для получения полной амплитуды выходного сигнала предварительный каскад необходимо питать от источника повышенного напряжения. Для этого применяют элементы Rвд и Cвд, , образующие цепь положительной обратной связи по напряжению питания, которое увеличивает напряжение питания предварительного каскада усиления (цепь вольтодобавки). На интервале проводимости VT3 конденсатор Свд заряжается от источника питания через резистор Rвд. При проводимом VT2 напряжение конденсатора через резистор Rк обеспечивает протекание базового тока этого транзистора. Усилитель мощности на МДП – транзисторах отличается от схемы усилителя на биполярных транзисторах меньшими нелинейными искажениями и большей температурной устойчивостью.