книги / Электронные усилители
..pdfR2 |
R 2/2 |
Е>
Рис. 4.36
- +
иВх |
иды х , |
Для увеличения входного сопротивления каскада и уменьше ния входной емкости в эмиттерных повторителях используются составные транзисторы.
Входное сопротивление составного транзистора
^?вх= г 3Vri"b(M~^21sVr/)[/'эГГ/Ч“^?эл;(1-)-Л21эУ7'5)]>
Я 1Х= Я в х 1|Яд.
Эмиттерный повторитель на составных транзисторах позволяет получить входное сопротивление порядка единиц ... десятков мегаом, которое шунтируется делителем напряжения.
Увеличение номинальных значений резисторов для заданного соотношения делителя Rl, R2 , определяющего напряжение смеще ния, ограничено диапазоном 10. 1000 кОм, что связано с умень шением базового тока и повышением температурной нестабиль ности тока коллектора.
Для увеличения входного сопротивления делителя использует ся метод следящих связей. На рис. 4.40, а приведена схема эмиттерного повторителя на составном биполярном транзисторе, обра зованном последовательным включением двух повторителей VT1,
VT2. Приведенная схема содержит несколько |
следящих |
связей. |
|||
Следящая связь введена с помощью резистора R1 и конденсатора |
|||||
С2. Эквивалентная схема замещения для переменного |
тока при |
||||
условии, что величина Хс, |
на самой низкой |
рабочей |
частоте в |
||
5 |
10 раз меньше Йвх.оэ |
, приведена на рис. 4.40,6. Из |
эквива |
||
лентной схемы видно, что делитель R2, R3 не шунтирует |
входное |
||||
сопротивление каскада по переменному току. |
|
|
|
||
Рассмотрим путь прохождения переменного сигнала. Входной
сигнал U вх |
порождает сигнал на эмиттере VT2: |
|
|
U™*.—Uax—UoiVTI—U63VT2 ~ U ML- |
|
Приращение |
тока, протекающего через |
резистор смещения R3, |
составит А/= (С/вх—t / B1JX )/R3 **Q, т. е. |
эффективное сопротивле |
|
ние переменному сигналу R :i3ф = £/вх / / вх |
R*OO. С учетом принятых |
|
допущений
Rl3<b= R li(l—KuVTJ •KUVT2),
где К и — коэффициент передачи повторителей соответственно на транзисторах VT1, VT2.
При этом Я 19ф »100 R\. Сопротивление R ,Эф практически ис
ключает воздействие сравнительно низкоомного делителя на вход ное сопротивление каскада.
Следящая связь в коллекторной нагрузке предназначена для увеличения коэффициента усиления по напряжению. Она позволя ет получить коэффициент усиления по напряжению, равный приб лизительно 0,99.
С выхода каскада через конденсатор сигнал подается в проти вофазе на коллектор VT1. При этом потенциал на коллекторе ос тается постоянным. Следовательно, сопротивление /?5 можно рас сматривать как источник постоянного тока с большим сопротив
лением переменному току. Значения R5 и С3 выбирают, исходя |
из |
||
условия: Rs'C3> 1/2я/н |
коллекторной цепи |
транзистора |
VT1 |
Выходное сопротивление |
|||
г vr/эф будет выражено: |
|
|
|
ГУ77->ф= |
1/(1 KuVTI •K-UVT2)• |
|
|
Роль следящей связи выполняет и резистор R4. Как и при рас смотрении первой следящей цепи, эффективное сопротивление ха рактеризуется постоянством падения напряжения на резисторе:
R vI= U 6 }VTj
Ri3 <t>—&U63VTs/&IR.i=Ril(l—KuVT2 )■
Резистор R4 обеспечивает малое R BOXVTI
Входное сопротивление повторителя по переменному сигналу определяется по формуле
^_______________ гвх.о»У Г/^1»Ф ___________________
(гвх.оэУГ/+^1Эф) + ЯцО+Л21эVT1 'hl3VT2 )
D ' |
1 |
, |
1 , |
1 , 1 |
где * . |
я |
. |
+ |
я,'+/?„ |
входная емкость — по формуле
Свх= 2nfnlr03VT2+я„( i+ft2Um> 1 +Ск1'
Широко применяются во входных каскадах вольтметров нувисторы, обеспечивающие низкий уровень шумов (уровень собствен
ных шумов прибора B3-38 при закороченном входе в основном оп
ределяется входным каскадом и составляет 10 В) |
при |
заданном |
||
входном сопротивлении 1 МОм. |
позволяет уве |
|||
Применение полевого транзистора (рис. 4.41, а) |
||||
личить входное сопротивление транзисторного каскада |
до сотен |
|||
килоом |
единиц мегаом. При заданном режиме работы |
с авто |
||
матическим смещением значение входного сопротивления |
будет |
|||
определяться значением сопротивления резистора смещения. Для устранения влияния резистора смещения используется схема, при веденная на рис. 4.41,6. Включение R3 наряду с увеличением вход ного сопротивления схемы позволяет получать требуемое автома тическое смещение в полевом транзисторе. Входное сопротивле ние при этом
\+SRH
Практически рассматриваемая схема позволяет повысить зна чение входного сопротивления до 0,5 .5,0 МОм. Входная емкость
СВх=С3с+ 0 —Ки )С 3и составляет единицы пикофарад.
Недостаток приведенной схемы определяется пардметрами по левого транзистора — малой крутизной и соответственно высоким
выходным сопротивлением (RBых =1 /S |
составляет сотни о м ... |
единицы килоом. Здесь S — крутизна |
характеристики полевого |
транзистора). |
|
Для уменьшения выходного сопротивления каскада и увеличе ния входного применяют комбинированный способ включения би полярного и полевого транзисторов, показанный на рис. 4.41. Тран зисторы включены по схеме общий исток—общий эмиттер. Вклю чение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером позво ляет получить большой коэффициент усиления, в результате чего увеличивается глубина отрицательной обратной связи и соответст венно увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивле ние.
RBX— 'S*Агхэ'^н-
Выходное сопротивление транзистора VT2, включенного по схеме с ОЭ, достигает для переменного тока десятков и более ки лоом, при этом эквивалентное сопротивление нагрузки для посто янного тока составляет порядка единиц килоом. Резистор R4 — местная ООС, вызывающая увеличение R вх Динамическое сопро тивление транзистора VT2 определяется как выходное сопротив ление каскада, включенного по схеме с ОЭ и содержащего после
довательную |
ООС |
по току. |
Rz = R\-R2 / {R1 + R2 ) при |
условии: |
^3^^2161/77 |
; #э » Я з(1 +*2161/7/ |
)• |
/?ди„ = |
|
Динамическое |
входное |
сопротивление каскада |
||
= /?э/ \Н2161/7/ 4"h 226VT7 (R3 + R4 )] •
При уменьшении значения /?3 для переменного тока, например при закорачивании базы транзистора VT1 с помощью конденсато ра С/, динамическое сопротивление увеличивается и при /?з<С/?4
R MUI—RJ (^2ШТ1 + h 2261/77 *RA) •
о |
<3 + Е |
4^ |
Рис. 4.40
а |
б |
Рис. 4.41 |
|
Практи1|ески ПрИ д 4> ю ... 30 кОм # ДИ11= llhnwri = /?max « 100 МОм.
Сопротивление нагрузки по постоянному току транзистора VT1
Rn = U *\,Т2 // |
составляет, например при hvT2 =1 мА и напряже |
||||
нии на ^МИТТере U3VT2 = 1 |
.. 3 В, около 1 ... 3 кОм. |
||||
Недостатком |
приведенной |
схемы является |
сравнительно высо |
||
кое вы\одыое сопротивление |
(10 |
100 кОм), |
что затрудняет со |
||
гласование усилительных |
элементов |
с нагрузкой. Для уменьше |
|||
ния вьцодного сопротивления используется в качестве динамичес кой нагруЗКИ эмиттерный повторитель. Сопротивление переменно му сигналу составляет 2-103 . 5П03 кОм, сопротивление постоян ному сигналу в 30 .40 раз меньше, чем переменному. Выходное
сопротивление при использовании маломощных транзисторов до стигает 1 ком.
К методам уменьшения шумов входных устройств относятся: использование усилительных элементов с нормированным уров
нем собственных шумов; |
|
|
при |
этом |
паР^ллельное соединение усилительных элементов; |
||||
напряжение шума уменьшается пропорционально |
п > гДе п ~~ |
|||
количество параллельных транзисторов; |
решений, |
определяемых |
||
применение рациональных схемных |
||||
внешними элементами. Так, при больших значениях |
сопротивле |
|||
ния источника сигнала (превышающих |
100 кОм) |
уровень |
собст |
|
венных шумов биполярного транзистора больше, чем собственный шум полевого транзистора.
Входные каскады на биполярном транзисторе могут обеспечить очень хорошие шумовые параметры в диапазоне полного сопро тивления (от 200 Ом до сотен килоом).
При малых полных сопротивлениях транзистор обладает зна чительным уровнем шумов. В этом случае для их уменьшения ис пользуют трансформатор, увеличивающий уровень сигнала.
Контрольные вопросы
1.Приведите назначение каскада предварительного усиления, требования к
нему и условия его работы.
2.Начертите принципиальную схему резисторного каскада предварительного усиления и поясните назначение ее элементов.
3.Начертите графики, поясняющие работу резисторного каскада.
4.Начертите полную и частные эквивалентные схемы резисторного каскада.
5.Постройте характеристики резисторного каскада: амплитудно-частотную
ифазово-частотную.
6.Поясните, какие элементы схемы оказывают влияние на АЧХ в области нижних и верхних частот.
7.Начертите принципиальную схему однотактного трансформаторного кас када и поясните назначение ее элементов.
8.Приведите классификацию усилителей мощности.
9.Приведите основные достоинства двухтактных каскадов.
10.Какие способы включения транзисторов применены в выходных каска дах усилителя мощности?
11.Начертите схему трансформаторного фазоинверсного каскада н поясни те ее достоинства.
12.Почему коэффициент усиления ФИК с разделенной нагрузкой меньше единицы?
13.Начертите схему бестрансформаторного каскада усиления мощности на комплементарной паре с параллельным возбуждением и поясните ее.
14.Каковы достоинства ФИК с эмиттерной связью?
15.Начертите схему эмиттерного повторителя и поясните ее.
16.Перечислите способы увеличения входного сопротивления усилителя.
ГЛАВА 5
УСИЛИТЕЛИ п о с т о я н н о г о ТОКА
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления по напряжению и мощности сиг налов постоянного или медленно меняющегося по значению тока. Они широко применяются в вольтметрах как цифровых, так и стрелочных, в усилителях каналов осциллографов, в измеритель ных генераторах, в следящих системах автоматики, в стабилизато рах тока и напряжения и многих других устройствах.
УПТ усиливают как переменные, так и постоянную составляю щие входного сигнала. Частотный диапазон таких усилителей ши рокий: нижняя граничная частота равна нулю, а верхняя гранич ная частота определяется в зависимости от назначения усилителей и требований, предъявляемых к ним. Например, в электронном осциллографе типа С1-98 диапазон частот усилителя канала вер тикального отклонения луча составляет 0 Гц ...50 МГц. Таким образом, частотная характеристика УПТ в области нижних частот линейная от 0 Гц, т. е. искажения на нижних частотах отсутству ют.
Для УПТ характерно сохранение определенного значения ко эффициента усиления даже для постоянной составляющей, когда частота равна нулю.
Поскольку УПТ усиливает как переменные, так и постоянную составляющие входного сигнала, то очевидно, что при отсутствии входного сигнала на выходе усилителя уровень сигналов должен быть равен нулю.
Частотная и амплитудная характеристики УПТ показаны соот ветственно на рис. 5.1, а и рис. 5.1, б.
Усиление сигналов постоянного тока осуществляется двумя ме тодами: непосредственно по постоянному току и с предваритель ным преобразованием постоянного тока в переменный. Поэтому по принципу действия УПТ делятся на два основных типа: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием частоты входного сиг нала.
УГ1Т должны усиливать как постоянную, так и переменные со ставляющие входного сигнала. Особенностью таких усилителей являете^ непосредственная (гальваническая) связь между каска дами Усилителя, при которой выход предыдущего каскада соеди няют со входом последующего или непосредственно, или через ре зистор. В таком усилителе связь между каскадами и с нагрузкой нельзя выполнить с помощью разделительного конденсатора или трансформатора, поскольку эти элементы связи не допускают пе редачу постоянной составляющей. Использование гальванической связи Обусловливает две характерные особенности УПТ: зависи мость Напряжения от сопротивления источника сигнала и измене ние напряжения на выходе усилителя с течением времени при от сутствии сигнала на входе.
Рассмотрим простейшую однотактную схему УПТ прямого уси ления, изображенную на рис. 5.2. Все каскады включены по схеме с общим эмиттером. В этой схеме напряжение, усиленное преды дущим каскадом усиления, поступает непосредственно на вход по следующего каскада усиления или в нагрузку.
Практически осуществление гальванической связи затрудняет ся тем, что на базу последующего транзистора кроме сигнала по ступает также и напряжение питания коллектора предыдущего каскада, которое необходимо компенсировать.
В этой схеме резисторы, включенные в цепь эмиттеров R э1, R 32, Rs, >стабилизируют режим работы транзисторов и создают обратную связь не только по постоянному, но и переменному то ку, так как они не шунтированы емкостями. Это приводит к равно мерному уменьшению усиления каскада в широкой области частот.
Для простоты примем, что все транзисторы одинаковы и рабо
тают в одном и том же режиме. |
11бэ2 = |
|
Напряжение смещения |
на базе транзистора VT2 |
|
= U кэ1 + и Э1— 1)эч |
по напряжению отдельных |
каскадов |
Коэффициент усиления |
||
определяется по формуле |
R JR вх. |
|
Для первого каскада RBn ~ R 91 (ft2191 +1) + /?„CT-/?6/(#„CT+Re )> где Лист— внутреннее сопротивление источника сигнала;
Re — R 6i -^бз/К^б! ~^R 62) •
Для второго каскада R ^ ^ R 92 (А 2192 + 1 )•
Аналогично рассчитываются входные сопротивления последу ющих каскадов.
Так как питание каскадов осуществляется от общего источника коллекторного питания, то в каждом последующем каскаде необ ходимо уменьшить сопротивление коллекторной нагрузки и увели чить сопротивление в цепи эмиттера:
RK\^>RK2^>RK3\
RS1<RB2<RSS-
Рис. 5.1
-Е к
+ ЕК
Рис. 5.2
Это приводит к тому, что коэффициент усиления каждого после дующего каскада меньше коэффициента усиления предыдущего, т. е. /С|>/С2>/С3.
Практически в таких схемах более трех каскадов использовать нецелесообразно. Следует отметить, что УПТ реализуют на базе резисторных каскадов. Поэтому граничная частота и искажения в области верхних частот рассчитываются для них так же, как и в обычны^ резисторных усилителях. Недостатком рассмотренной трехкаскадной схемы является наличие постоянной составляющей
на входе усилителя из-за напряжения на резисторе |
/?б2 |
Кроме |
того, при отсутствии сигнала на входе усилителя на |
его |
выходе |
должны быть равны нулю не только переменная, но и постоянная составляющие. Для компенсации постоянных составляющих на входе и выходе УПТ применяются мостовые (балансные) схемы.
На схеме, представленной на рис. 5.2, показаны пунктиром сое динения элементов R1, R2, обеспечивающих компенсацию посто янной составляющей на входе усилителя, и R3, R4, R5, обеспечива ющих компенсацию тока в нагрузке. На входе усилителя примене на мостовая схема, а источник сигнала включен в диагональ сба лансированного моста. Таким образом, режим работы транзисто
ра |
VT1 не зависит от значения сопротивления источника сигнала |
R ист |
Если же изменяется ЭДС источника сигнала Енст>то изме |
нится и напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1. |
|
На |
выходе усилителя подключаются элементы R3y R4, R5, также |
образуя мостовую схему, в диагональ которой включается нагруз ка. Переменный резистор R4 служит для получения условия балан са моста, когда ток, протекающий в цепи нагрузки, равен нулю. Таким образом компенсируется и постоянная составляющая на выходе усилителя. Однако данный способ компенсации постоян ной составляющей имеет следующие недостатки. При изменении температуры или напряжения питания режим работы транзистора VT3 изменится, на выходе усилителя появится постоянное напря жение. Для компенсации этого напряжения необходимо будет из менить положение движка резистора R4. Кроме того, отсутствие общей точки между входной (1—1) и выходной (2—2) цепями за трудняет подключение источников сигналов и нагрузок.
Не уменьшать усиление в каскадах УПТ для компенсации по стоянной составляющей выходного напряжения предыдущего тран зистора и создания между базой и эмиттером последующего тран зистора требуемого напряжения смещения позволяют так назы ваемые схемы сдвига уровня:
схема УПТ с потенциометрической межкаскадной связью; схема УПТ на транзисторах различной проводимости; схема УПТ с использованием стабилитронов.
В схеме УПТ с потенциометрической межкаскадной связью (рис. 5.3) применяются либо два источника питания, либо один со средней точкой. В таком УПТ схема сдвига уровня осуществляется с помощью резисторных делителей, питаемых от дополнительного источника постоянного тока Е2.
В случае использования |
вместо двух источников |
питания од |
||
ного со средней точкой для |
выходной ( VT1) и входной (VT2) це |
|||
пей указаны |
полярности |
напряжений, |
согласно которым |
|
U RK = и *3l |
UK3X U |
t/'бэз |
R д:, |
|
Следовательно, напряжение на сопротивлении |
компенсиру |
|||
ет большее напряжение UK31 транзистора VT1. С помощью соп |
||||
ротивления /?д3 уровень постоянного напряжения сдвигается. По тенциометрическая межкаскадная связь позволяет получить (со гласно рис. 5.3) и общую точку для входных и выходных клемм усилителя. Однако на сопротивлениях делителей R it ... /?д, и других теряется напряжение полезного сигнала. В результате при существенном увеличении числа резисторов коэффициент усиле ния усилителя оказывается примерно в 2 . . . 3 раза меньше, чем в усилителе с непосредственной связью.
Избежать потерь сигнала можно, если сдвигать уровень посто янного напряжения с помощью транзисторов различной проводи мости или стабилитронов.
При использовании одного источника питания сдвиг уровня по стоянного напряжения можно получить с помощью стабилитрона, как это показано на рис. 5.4. Стабилитрон VD имеет очень малое
дифференциальное сопротивление (единицы ом) |
и практически не |
|
дает потерь сигнала. Напряжение стабилизации |
UCT |
необходимо |
подобрать таким, чтобы выполнялось условие: |
Uц |
Ч-£/кЭ1 = |
= [) ст+ U692 |
|
|
Однако у усилителя, собранного по этой схеме, есть ряд недо статков, препятствующих его широкому применению: сравнитель
но большой разброс и |
температурная |
зависимость напряжения |
||
Uст ; большие внутренние шумы стабилитрона, снижающие дина |
||||
мический |
диапазон усилителя; большой |
ток стабилизации |
/ ст, |
|
что требует включения |
дополнительного |
резистора RCT Наличие |
||
тока / ст |
приводит к некоторому уменьшению сопротивления R t, а |
|||
следовательно, и коэффициента усиления К транзистора VT1. |
|
|||
Указанные недостатки можно устранить, если включить |
ста |
|||
билитрон не в базовую, а в эмиттерную цепь последнего транзис тора усилителя, например, как это сделано в УПТ на полевых транзисторах по схеме, приведенной на рис. 5.5. Использование по левых транзисторов может создать ряд преимуществ, связанных с очень маленьким входным током полевого транзистора, большим входным сопротивлением, наличием термостабильной точки, мень шими шумами в области очень низких частот, хорошей временной стабильностью электрических параметров. При работе от источ ника сигнала с большим внутренним сопротивлением УПТ на по левых транзисторах могут обеспечивать большую чувствительность из-за меньшего коэффициента шума. В усилителе, собранном по схеме, приведенной на рис. 5.5, стабилитрон VD включен в цепь ис тока транзистора VT3. Ток истока обычно в последнем каскаде до статочен для нормальной работы VD, а шумами уже можно прене бречь. Напряжение стабилизации Uсх = v *<n + u СИ2 + Узиз Ъ
по