книги / Электронные усилители

Коэффициент гармоник измеряют с помощью специальных при­ боров— измерителей нелинейных искажений или анализаторов спектра. Измерения производят на частотах, указанных техни­ ческими условиями.

На схеме измерений (см. рис. 11.1) показан измеритель нели­ нейных искажений. Если измерения производятся с помощью ана­ лизатора спектра, то он подключается на выходе усилителя анало­ гично измерителю нелинейных искажений.

По шкале измерителя нелинейных искажений можно непосред­ ственно определить коэффициент гармоник. С помощью анализато­ ра спектра сложный сигнал на выходе усилителя разлагают на отдельные гармонические составляющие, которые наблюдают на осциллографическом индикаторе. Частоты и амплитуды этих сос­ тавляющих можно измерить.

Таким образом, анализаторы спектра позволяют точнее харак­ теризовать сложный сигнал. Значение коэффициента гармоник вы­ числяется по формуле

и1

где U2, Vz, U„ — напряжения высших гармоник на выходе уси­ лителя; Ui — напряжение первой гармоники на выходе усилителя.

При определении коэффициента интермодуляционных искаже­ ний необходимо использовать два измерительных генератора для установки частот, на которых производятся измерения. В зависи­ мости от частотного диапазона усилителя значения этих частот указываются в нормативно-технической документации. Например, для низкочастотных усилителей, имеющих диапазон 40 Гц... 16 кГц, в соответствии с ГОСТ 23849—87 эти частоты составляют соответ­ ственно 250 Гц и 8 кГц. Схема измерений (рис. 11.3) состоит из ге­ нераторов, сумматора гармоник, анализатора спектра и испытуе-

Рис. 11.3

мого усилителя. На выходе первого генератора устанавливается напряжение, значение которого равняется 0,8 от номинального значения напряжения UH0V ; а на выходе второго — 0,2 U„0„ С помощью регулятора громкости в нагрузке устанавливают мощ-

ность, равную номинальной. Анализатором спектра измеряют

Более подробно методика испытаний усилителей, обработки ре­ зультатов измерений указывается в стандартах на аппаратуру кон­ кретного типа. Рассмотренная выше методика выполнения от­ дельных операций рекомендована ГОСТ 23849—87 «Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических па­ раметров усилителей звуковой частоты».

Целью поверки измерительных усилителей является определе­ ние их пригодности в соответствии с заданными метрологическими характеристиками. Поверка средств измерений, в том числе и из­ мерительных усилителей, производится на основании действующей нормативно-технической документации, утвержденной Госстандар­ том СССР. Основополагающими документами в вопросах поверки и испытания измерительных усилителей являются ГОСТ 8.002—86 «ГСП. Государственный надзор и ведомственный контроль за сред­ ствами измерений. Основные положения», ГОСТ 8.001—80 (СТ СЭВ 1708—79) «ГСИ. Организация и порядок проведения го­ сударственных испытаний средств измерений». Поверка осущест­ вляется периодически органами государственной или ведомствен­ ных метрологических служб.

Прежде чем приступить к поверке, необходимо ознакомиться с технической документацией для данного усилителя и методикой его поверки. После этого выбирают образцовые и вспомогательные средства измерений и решают вопрос о согласовании входных и вы­ ходных параметров этих средств и испытуемого усилителя. Повер­ ка проводится с использованием более точных образцовых средств измерений. Минимально допустимым отношением погрешности об­ разцовых и поверяемых средств считают 1:3. При выборе образцо­ вого средства измерений учитывается не только его точность вооб­ ще, но и оценивается степень достоверности определения погреш­ ностей образцового и поверяемого средств измерений. В качестве средств измерений при поверке измерительных усилителей исполь­ зуются вольтметры, аттенюаторы, измерители нелинейных искаже­ ний, анализаторы спектра, измерители частотных и переходных ха­ рактеристик, измерительные генераторы. Кроме того, для поверки усилителей выпускается установка типа К2-41, используемая в диа­

пазоне частот 20 Гц ...200 кГц, которая позволяет устанавливать отношение напряжений от 10 до 106 с относительной погрешностью измерения 0,3 %.

Поверка усилителей состоит из внешнего осмотра, опробова­ ния (проверка работоспособности), определения метрологических характеристик и параметров. Основными операциями определения метрологических характеристик и параметров являются определе­ ния: погрешности коэффициента усиления на частоте F (ее значе­ ние указывается в стандарте пли техническом описании прибора; для низкочастотных усилителей— 1 кГц); неравномерности час­ тотной характеристики относительно частоты F; коэффициента гар­ моник выходного напряжения; напряжения шумов усилителя, при­ веденного ко входу. Погрешность установки коэффициента усиле­ ния определяется методом замещения с помощью образцового ат­ тенюатора или установки К2-41 путем непосредственного отсчета погрешности по шкале индикатора. Методика проведения других операций аналогична рассмотренным выше методам электрических измерений при испытании усилителей.

Контрольные вопросы

1.Поясните, какова цель испытания усилительных устройств.

2.Назовите основные виды испытаний усилительных устройств.

3.Перечислите операции, из которых состоит проверка параметров усилите­ лей звуковых частот.

4.Поясните, что применяется в качестве эквивалента сопротивления источни­

ка сигнала и нагрузки.

5. Поясните методику определения номинальной выходной мощности.

6.Поясните, какова цель поверки измерительных усилителей.

7.Из каких операций состоит поверка измерительных усилителей?

ГЛАВА 12

УСИЛИТЕЛИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

12.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Отечественная промышленность выпускает большое количество серий интегральных микросхем, в состав которых входят много­ численные аналоговые микросхемы, используемые в усилительных устройствах. Достоинствами их являются большая надежность, ма­ лые габаритные размеры и масса, непрерывно снижаемая стои­ мость. Все это позволяет создавать усилительные устройства, имею­ щие высокие эксплуатационные показатели.

В зависимости от технологии изготовления интегральные микро­ схемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибрид­

ными; в зависимости от функционального назначения они делят­ ся на две группы — аналоговые и цифровые. К цифровым относят­ ся микросхемы, с помощью которых преобразуются и обрабатыва­ ются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции.

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для пре­ образования и обработки сигналов, изменяющихся по закону не­ прерывной функции.

В соответствии с принятой в СССР системой условных обозна­ чений все выпускаемые отечественные микросхемы делятся по кон­ структивно-технологическому исполнению на три группы: 1, 5> 6,7 — полупроводниковые; 2, 4, 8 — гибридные; 3 — прочие (пле­ ночные, вакуумные, керамические и т. п.).

По характеру функций, выполняемых в радиоэлектронной аппа­ ратуре, интегральные микросхемы подразделяются на подгруппы (например, генераторы, усилители, преобразователи и т. д.) и ви­ ды (например, преобразователи частоты, фазы и т. п.).

Рассмотрим подробнее классификацию подгруппы «Усилители». Усилители подразделяются на виды интегральных микросхем по их функциональному назначению и имеют соответствующие обоз­ начения: УВ — усилители высокой частоты, УР — усилители проме­ жуточной частоты, УН — усилители низкой частоты, УИ — усили­ тели импульсные, УД — усилители операционные и дифферен­ циальные, УЕ — повторители, УТ — усилители постоянного тока, УП — прочие усилители.

По принятой системе обозначение интегральных микросхем (ИМС) должно состоять из четырех элементов. Первый элемент — это цифра, соответствующая конструктивно-технологической груп­ пе. Второй элемент — три (от 000 до 999) цифры, или две цифры (от 00 до 99), присвоенные данной серии ИМС как порядковый но­ мер разработки. Таким образом, первые два элемента составляют три-четыре цифры, определяющие полный номер серии ИМС. Третий элемент —две буквы, соответствующие подгруппе и виду ИМС. Четвертый элемент — порядковый номер разработки ИМС в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по'функциональному признаку ИМС. Он может состоять как из одной цифры, так и нескольких.

Для ИМС, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения ставится буква К. Например, К174УН12. Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, опре­ деляющая технологический разброс электрических параметров данного типономинала. Конкретные значения электрических пара­ метров приводятся в технической документации (например, пара­ метры К1409УД1А отличаются от параметров К1409УД1Б).

Для характеристики материала и типа корпуса перед цифро­ вым обозначением серин могут быть добавлены, например, буквы: Р — для пластмассового корпуса, М — для керамического, металлокерамического и стеклокерамического корпуса.

В качестве примера можно привести ИМС типов КРП9УН1, КМ551УД2А.

Интегральные микросхемы разрабатываются и выпускаются предприятиями-изготовителями в виде серий. Серия интегральных микросхем — это совокупность типов интегральных микросхем, ко­ торые могут выполнять различные функции, имеют единое конст­ руктивно-технологическое исполнение и предназначены для сов­ местного применения. Серии существенно различаются по облас­ ти применения, функциональному составу и количеству входящих в них интегральных микросхем. Самая большая по составу — се­ рия К155. Она содержит более 100 типономиналов.

'Большая группа серий предназначена в основном для создания приемопередающей аппаратуры радиосвязи; выпускаются серии для телевизионной аппаратуры, магнитофонов и других устройств. Все эти серии условно можно подразделить на функционально полные и функционально неполные. Функционально полные серии состоят из широкого круга специализированных микросхем, отно­ сящихся к разным функциональным подгруппам. Например, се­ рия 235: детекторы, коммутаторы и ключи, многофункциональные схемы, модуляторы, преобразователи, усилители.

Каждая из этих серий позволяет создать практически все реа­ лизуемые сейчас в микроэлектронном исполнении узлы таких ус­ тройств, как радиоприемные, телевизионные, радиоизмерительные и подобные им по сложности. Функционально неполные серии сос­ тоят из небольшого числа специализированных или универсаль­ ных микросхем. Они предназначены для создания отдельных узлов аналоговой аппаратуры.

Особого внимания заслуживают серии, объединяющие наиболее универсальные по функциональным возможностям микросхемы, — операционные усилители, рассмотренные в главе 6. Каждый опе­ рационный усилитель может служить основой для большого чис­ ла блоков, относящихся к различным функциональным подгруппам и видам. Это операционные усилители серий К140, К153, К544, К553, К740 и др. Они применяются, как было показано в предыду­ щих главах, в УПТ, широкополосных, избирательных и других уси­ лителях.

Для характеристики микросхем различных серий и для срав­ нительной оценки микросхем, относящихся к одному виду, в основ­ ном используют совокупности функциональных параметров. Од­ нако практически важную роль играют и такие факторы, как нап­ ряжение питания, конструктивное оформление, предельно допусти­ мые условия эксплуатации. Часто они имеют решающее значение при выборе элементной базы для конкретной аппаратуры. Разли­ чие; например по значению питающих напряжений, во многих слу­ чаях затрудняет или делает невозможным использование в одном устройстве микросхем различных серий, даже если они отвечают требованиям к основным функциональным параметрам. Парамет­ ры серий микросхем, их функциональные возможности и типовые схемы включения приводятся в справочниках по интегральным ми­ кросхемам.

Особенности построения усилителей в интегральном исполне­ нии. Рассмотрение этого вопроса требует знания предыдущего ма­ териала. Выпускаемые отечественной промышленностью аналого­ вые интегральные микросхемы содержат в качестве активных эле­ ментов транзисторы. Независимо от технологии изготовления ос­ новные свойства транзисторов определяются процессами протека­ ния токов через р—/z-переходы и движения неосновных носите­ лей через слой базы. Конструктивные и технологические различия сказываются лишь на значениях тех или иных параметров, качест­ венно же происходящие в транзисторах процессы остаются для всех типов одинаковыми. Основу современных аналоговых ИМСГ применяемых в усилительных устройствах, составляют простейшие усилительные схемы: однокаскадные, двухкаскадные, каскодные, балансные, дифференциально-каскодные, — на базе которых стро­ ятся многокаскадные усилители.

Во многих аналоговых ИМС используются составные транзис­ торы. Наиболее широкое распространение получила схема Дар­ лингтона, рассмотренная в главе 4. В цепях смещения для созда­ ния источников стабильного тока и для динамических нагрузок применяются различные варианты диодно-транзисторных структур.

Усилитель в интегральном исполнении не должен содержать согласующих и выходных трансформаторов, и число конденсаторов должно быть минимальным. Как трансформаторы, так и конденса­ торы большой емкости невозможно изготовить в интегральном ис­ полнении. Поэтому целесообразнее непосредственная связь между каскадами, а сопротивление эмиттерной нагрузки транзисторов желательно не шунтировать конденсатором. Использование непо­ средственной связи между каскадами требует применения в ИМС цепей сдвига уровня для согласования уровней постоянного тока в различных точках усилителя. Для согласования сопротивлений используются различные виды ОС.

Вкачестве согласующих элементов используются схемы эмиттерного повторителя и отражателя тока.

ВИМС в качестве каскадов предварительного усиления наи­ большее распространение получили каскады с ОЭ и ОК. В состав различных серий ИМС входят однотранзисторные схемы, предназ­ наченные для использования в усилителях, например 228УВ1, К119УМ1, КРП9УМ1, КН9КП1 и др. Схема входного усилителя низкой частоты КРП9УН1 и типовая схема его включения приве­

дены на рис. 12.1, а, б.

Кроме транзистора такая схема содержит резисторы, обеспечи­ вающие необходимый режим питания (/?/, R2), температурную ста­ билизацию (R4, R5), а также выполняющие роль нагрузки транзис­ тора (R3f R2).

Каскад с ОК применяется, в основном, для согласования сопро­ тивлений. Для повышения устойчивости в усилительных каска­ дах ИМС используют каскодное включение транзисторов, причем не только классический вариант последовательного соединения по переменному току двух транзисторов по схеме ОЭ—ОБ, но также

ОС-

ров. Двухкаскадная схема усилителя позволяет получить коэффи­ циент усиления Ки>№5. Входной каскад представляет собой диф­ ференциальный усилитель на транзисторах VT2 и VT4. Этот кас­ кад получает питание от эмиттерного повторителя на транзисто­ ре VT1. Составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT8 и VT9 предназначен для согласования входного и выходного кас­ кадов. Ток этого эмиттерного повторителя определяется выходным потенциалом транзистора VT7 Транзистор VT12, активной нагруз­ кой которого являются транзисторы VT10 и VT11, инвертирует сигналы, поступающие с выхода составного эмиттерного повтори­ теля. Выходной каскад, построенный на транзисторах VT13, VT15 и VT16, обладает хорошей линейностью и позволяет получить ко­ эффициент гармоник /Сг<0,1 %. Транзистор VT14 предназначен для защиты выходного каскада от перегрузки по току. Улучшение

зисторов входного каскада. Стабилизатор определяет всю работу ИМС по постоянному току. Для улучшения частотной характерис­ тики в схему введена корректирующая емкость С1. Частота единич­ ного усиления этой ИМС достигает 15 МГц, а приведенное ко вхо­ ду в полосе частот 0,1 10,0 кГц напряжение шумов 1)ш составля­ ет 1,2 мкВ при коэффициенте усиления 500.

Для нормальной работы усилителя предусмотрена внешняя обратная связь с выходом ИМС в эмиттеры входного каскада (вы^ вод 5). Для достижения устойчивой работы усилителя емкость вну­ треннего конденсатора обратной связи С1 можно увеличивать, под­ ключая параллельно внутренней емкости внешний конденсатор СЗ (выводы 6 и 7).

Рассмотрим особенности мощных выходных каскадов ИМС. Проектирование мощных усилителей на ИМС связано с решением ряда схематических, конструктивных и технологических задач. Во-первых, необходимо применять экономичные выходные кас­ кады с использованием мощных интегральных структур, причем каскад должен вносить малые нелинейные искажения в усиливае­ мый сигнал. Во-вторых, требуется освоить технологию получения на одном кристалле п—р—/г-структур с высокой допустимой плот­ ностью тока и повышенным значением коэффициента усиления, а также р—п—р-структур с большим коэффициентом усиления. Кроме того, необходимо использовать такую технологию из­

В настоящее время создан ряд мощных ИМС, в частности спе­ циализированные микросхемы серии К174. Рассмотрим электричес­ кую принципиальную схему ИМС К174УН7, применяемую в око­ нечных усилителях звуковых частот приемно-усилительных, телеви­ зионных и других радиотехнических устройств (рис. 12.4).