Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 13

На рис. 3.29 наведена схема такого підсилювача.

(1)

с1

r1 rk r'1

V пг , , с2 М 4і

jl

r2

Re

X

І

ек

\r'1  і Ir'k L

с3 (3) vt2+-1 І-9

X

Rh

(2) -J- (4)

Рис. 3.29 - Двокаскадний підсилювач з резистивно-ємнісними зв'язками

Підсилювач складається із двох каскадів підсилення, виконаних на транзисторах VT1 і VT2 за схемою з СЕ.

Вхідний сигнал після підсилення першим каскадом через конденса­тор С2 надходить на вхід другого каскаду, з виходу якого підсилений вдруге через конденсатор С3 подається на навантаження Rh.

Розрахунок багатокаскадного підсилювача починають із розрахунку вихідного (останнього) каскаду. Потім, знаючи його вхідну напругу, що є вихідною напругою попереднього каскаду, приступають до роз­рахунку попереднього каскаду і т.д. Виходячи із умови забезпечення однотипності, каскади попереднього підсилення виконують однако­вими (зазвичай із найбільш можливим коефіцієнтом підсилення). Тому розрахунок завжди зводиться фактично до розрахунку одного

каскаду.

де R — R/1 || R2;

r , — r„

я1» к

r/ ii r

Rkx2 - вхідний опір за змінним струмом другого каскаду;

r" — r/k|| r.

ні» К 11 н

Амплітудна характеристика такого підсилювача має вигляд, наве­дений на рис. 3.30.

Uex min     Uex max

а) 6) Рис. 3.30 - Амплітудна характеристика (a) та часові діаграми вихідного сигналу (6) двокаскадного підсилювача з ЯОзв'язками

На ній позначено:

1- 2 - робоча ділянка;

2- 3 - режим насичення.

3. ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ. ПІДСИЛЮВАЧІ НАПРУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ113

_ ^ вх max

= U       - динамічний діапазон підсилювача.

U вх min

На ділянці 1-2 маємо незначне спотворення форми вихідного сигна­лу, зумовлене нелінійністю характеристик транзистора. Ступінь спотво­рень визначається коефіцієнтом нелінійних викривлень

^    л/и 22 + U 3 +...+U 2п

Кн =---, (3.40)

U1

де Ц - ефективне значення напруги першої (основної) гармоніки вихід­ного сигналу;

U2, U3, Un - ефективні значення напруги другої, третьої і т.д. (ви­щих) гармонік вихідного сигналу.

Наявність сигналу на виході підсилювача при U < U     і навіть

J г вх вх min

при Uex — 0, визначається власними шумами елементів підсилювача. Це шумовий сигнал, зумовлений, наприклад, нестаціонарністю про­цесу інжекції носіїв із емітера в базу біполярного транзистора (до речі, польові транзистори позбавлені цього недоліку, у зв'язку з чим їх часто використовують у першому каскаді підсилювачів малих сигналів); ви­никають шуми також за рахунок флуктуацій струму при його про­тіканні через металокомпозиційні, вугільні та інші резистори і т.п. Крім того, причиною вихідних шумів є сигнали, наведені на елементах і з'єднаннях підсилювача зовнішніми електромагнітними полями, за­вади, що проникають на його вхід із кіл живлення при наявності в них пульсацій напруги.

Для зниження вихідних шумів використовують елементи з малими власними шумами, застосовують екранування, додаткові фільтри, ви­бирають схеми джерел живлення з мінімальними пульсаціями.

На ділянці 2-3 маємо режим насичення підсилювача через те, що транзистор тут виходить за межі лінійного режиму: поперемінно пере­ходить із режиму відтинання через лінійний режим до режиму насичення і навпаки (не плутайте динамічний режим насичення підсилювача зі статичним режимом насичення транзистора).

Другою важливою характеристикою двокаскадного підсилювача з RC-зв'язками є амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), зображена на рис. 3.31.

Ки А

ж.

Причиною зниження коефі­цієнта підсилення на низьких частотах є наявність розділя­ючих конденсаторів С;, С2, С3, а також С , оскільки опір кон-

денсатора

X

1

c — 0 toC

—У °°.

Рис. 3.31 - АЧХ двокаскадного підсилювача з ЯС- зв'язками

У результаті на розділяючих конденсаторах падає частина напруги сигналу, що повинен передаватися у наступний каскад або навантаження, а з ростом опору СЕ виникає суттєвий НЗЗ за підсилюваним сигналом змінної напруги -коефіцієнт підсилення знижується.

Причиною зниження коефіцієнта підсилення на високих частотах є:

1) зниження коефіцієнта передачі транзистора за струмом b при w > w ;

в

2) наявність у схемі паразитних конденсаторів та індуктивностей, оскільки

X с

1

0; X,

= <uL — °°,

то зі збільшенням частоти сигналу (або для його вищих складових гармонік) розосереджена ємність ліній зв'язку в межах каскаду шун­тує частину енергії сигналу, що підсилюється, а індуктивність провідників веде до падіння на них напруги. У результаті коефіцієнт підсилення зни­жується.

3.9.2. Багатокаскадні підсилювачі з трансформаторними зв'язками

У таких підсилювачах зв'язок між каскадами здійснюється за допо­могою трансформаторів. Зазвичай, первинна обмотка вмикається у вихідне струмове коло транзистора попереднього каскаду, а вторинна обмотка підмикається до входу наступного каскаду або безпосеред­ньо до навантаження. У першому випадку маємо справу з підсилюва­чем напруги, у другому - з підсилювачем потужності.

2

с

w

3. ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ. ПІДСИЛЮВАЧІ НАПРУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ115

Структурна схема підсилювача з трансформаторними зв'язками

зображена на рис. 3.32.

TV1 TV2

Рис. 3.32 - Двокаскадний підсилювач з трансформаторними зв'язками У цій схемі перший каскад - підсилювач напруги, другий - підсилю­вач потужності.

Використання трансформатора надає такі переваги:

1) підвищується загальний коефіцієнт підсилення як за напругою, так і за струмом;

2) забезпечуються умови максимальної передачі потужності за ра­хунок узгодження вихідного опору каскаду з опором його навантажен­ня (R = R ).

v   вих п'

Але використання трансформатора має і свої недоліки, а саме: під­вищуються маса і габарити підсилювача, погіршуються його частотні властивості. Крім того, у наш час трансформатор є нетехнологічним виробом: технологія виробництва трансформаторів кардинально від­різняється від технології виготовлення інших вузлів підсилювача.

Найширшого розповсюдження трансформаторні підсилювачі зна­ходили до недавнього часу як підсилювачі потужності. Будуються вони за однотактною або двотактною схемами.

Зазначимо, що підсилюючі каскади, які були нами розглянуті, усі однотактні: за період підсилюваного сигналу струм у них протікає через один транзистор і у одному напрямку. При цьому забезпечуєть­ся підсилення як позитивної так і негативної півхвиль, якщо каскад пра­цює у режимі класу А, або півхвилі лише однієї полярності, якщо у ре­жимах класу В або АВ.

Двотактні підсилюючі каскади будують з двох однотактних, що як правило, працюють у режимах класу В або АВ: один каскад забез­печує підсилення позитивної півхвилі, а другий - негативної. Отже, підси­лення за період підсилюваного сигналу відбувається у два такти.

11Є

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

TV1

-о +

Рис. 3.33 - Однотактний трансформаторний підсилювач потужності

Схема однотактного трансформаторного підсилю­вача потужності наведена на рис. 3.33.

У колекторне коло тран­зистора VT1 увімкнено пер­винну обмотку трансфор­матора TV1, його вторинна обмотка підімкнена до на­вантаження R .

н

Коефіцієнт трансформації n=w1/w2, де w1, w2 - кіль­кість витків первинної та вторинної обмоток відпо­відно.

Призначення решти елементів те ж саме, що і в попередніх схемах. Працює цей підсилювач у режимі класу А.

Величина опору навантаження, зведена до первинної обмотки, ста­новить

RH = RHn2. (3.411 Оскільки RgHX = R , то Reux = RH n2, і коефіцієнт трансформації

n =

Ru

(3.42)

Недоліками наведеної схеми є низький к.к.д.: й=0,25 ,0,3; наявність сталого підмагнічування осердя трансформатора внаслідок протікан­ня постійного струму І по його первинній обмотці, що призводить до збільшення габаритів трансформатора.

Вказаних недоліків позбавлений двотактний підсилювач потужності, принципова схема якого зображена на рис. 3.34.

Підсилювач складається з двох однотактних каскадів, виконаних на транзисторах VT1 і VT2. Параметри транзисторів повинні бути практично однаковими. Трансформатор TV1 призначений для подачі на вхід підсилювача двох напруг U та U , рівних за величиною, але зсунутих за фазою на 180 електричних градусів. Трансформатор TV2 узгоджує вихід підсилювача з навантаженням, тобто забезпечує

3. ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ. ПІДСИЛЮВАЧІ НАПРУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ117

виконання умови передачі максимальної потужності. Резистори л;, R2 призначені для створення режиму спокою (в режимі класу АВ) для обидвох транзисторів.

TV2

о

Рис. 3.34 - Двотактний трансформаторний підсилювач потужності Такий підсилювач може працювати у класі В (за відсутності дільника Rj, R2) або АВ. У трансформатора TV2 стале підмагнічування відсут­нє, оскільки по одній його півобмотці постійний струм тече у одному напрямку, а по другій - у протилежному, причому !йК1=ІйК2-Розглянемо роботу підсилювача за дії U.

Якщо полярність U така, як вказана на схемі без дужок, транзис­тор VT2 закритий, а VT1 працює у режимі підсилення. При цьому в колекторному колі VT1 з'являється підсилена півхвиля струму, що че­рез верхню первинну півобмотку трансформатора TV2 передається до навантаження.

При полярності U вказаній у дужках, транзистор VT1 закритий, а VT2 знаходиться у режимі підсилення під дією Ura2. Півхвиля стру­му, що протікає у колекторному колі VT2, має протилежний напрямок і через нижню первинну півобмотку трансформатора TV2 передається до навантаження. Таким чином, транзистори VT1 і VT2 за період під­силюваного сигналу працюють по черзі, створюючи підсилену змінну напругу на навантаженні за два такти.

На рис. 3.35 зображено вихідні характеристики транзистора та по­будову часової діаграми імпульсу колекторного струму.

11В

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

ік А

Iqk

t

Дзвоноподібне викривлення форми вихідної напруги зумовлене \ нелінійністю вхідної ВАХ транзистора

Рис. 3.35 - Побудова часової діаграми імпульсу колекторного струму за допомогою вихідної характеристики транзистора

Повна та вихідна потужності відповідно становлять

P

2

P =

r\P.

(3.43)

3.9.3. Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення

E Безтрансформаторні вихідні каскади підсилен­ня якнайширше використо­вують як у складі ІМС, так і у дискретному виконанні. Схему двотактного каска­ду, виконану на однотипних транзисторах n-p-n типу, наведено на рис. 3.36.

Транзистор VT2 і наванта­ження R утворюють каскад

ивх

Q

Рис. 3.36 - Безтрансформаторний каскад підсилення на однотипних транзисторах

3. ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ. ПІДСИЛЮВАЧІ НАПРУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ119

-о +

Eki

Uex Q

VT1

Rh

h_z>

VT2

з СК, а VT3 і Rh - каскад з CE. Сигнали, що підсилюються, надходять на входи транзисторів VT2, VT3 із зміщенням за фазою на 180 електричних градусів: одержання двох протифазних напруг забезпечує фазоінверс-ний каскад на транзисторі VT1. Транзистори VT2 і VT3 поперемінно відкриваються позитивними півперіодами, зумовлюючи протікання у навантаженні змінного струму.

Живлення такого каскаду можливе і від однополярного джерела. У такому випадку навантаження підмикається через конденсатор вели­кої ємності (1/w C«R ).

Останнім часом широко використовують каскади підсилення, побудовані на тран­зисторах різного типу провідності - на комплементарних (від лат. complement - доповнення) па­рах транзисторів. Схема найпростішого такого кас­каду наведена на рис. 3.37. Кожен із транзисторів ра­зом з навантаженням тут утворює схему з СК.

Працює каскад у режимі класу В, який відзначається значними нелінійними викрив­леннями при підсиленні гармо­нійних сигналів.

Характерна особливість та­кої схеми: для неї не потрібен фазоінверсний каскад.

Для забезпечення роботи у режимі класу АВ викорис­товують невелике зміщення (0,6-0,7) В, як це показано на рис. 3.38 (дільник R; - R3).

При цьому за відсутності Рис. 3.38 - Безтрансформаторний каскад

Ek2

Рис. 3.37 - Найпростіший каскад підсилення на транзисторах різного типу провідності

Eki

ивх

R1

VT1

R2

Rh

-CD-

VT2

R3

6+

Ek2

вхідного сигналу через оби­два транзистори протікає підсилення на транзисторах різного типу провідності у режимі класу АВ

12D

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

невеликий струм спокою (наскрізний струм), а через навантаження не протікає.

Оскільки в цих схемах обидва транзистори увімкнені відносно на­вантаження як емітерні повторювачі, то вони досить просто узгод-

С1

R1

VT1

—о +

Ек

Г

R2

С2

VT2

R2

Rh

Рис. 3.39 - Безтрансформаторний каскад підсилення на транзисторах різного типу провідності в режимі класу АВ за однополярного живлення

жуються з низькоомним опором навантаження і к.к.д. при цьому досить високий. Вихідна напру­га дорівнює вхідній, а підсилен­ня потужності відбувається за рахунок підсилення струму.

За використання однополярно-го джерела живлення схема та­кого каскаду має вигляд, наведе­ний на рис. 3.39. Для забезпечен­ня виключення впливу режиму каскаду за постійним струмом на передкінечний каскад і наванта­ження, останні підмикаються відповідно через конденсатори С; і Сг За великої потужності наван­таження С2 має значну ємність (а, отже, і габарити та масу).

Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка