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