Мендл М. 200 избранных схем электроники. Матью Мэндл 200 избранных схем электроники редакция литературы по информатике и электронике 1978 PrenticeHall, Inc
 Скачать 2.25 Mb.
|
|
Рис. 1.3. Схемы с общей базой и общим затвором. Коэффициент усиления сигнального тока для схемы с общей базой можно получить, если приращение выходного сигнального тока разделить на приращение входного сигнального тока. Коэффициент усиления по току для схемы с общей базой а определяется выражением (1.3) где АIк — приращение коллекторного тока и ДI э — приращение эмиттерного тока. Коэффициент a называется коэффициентом прямой передачи тока. В схемах, показанных на рис. 11.3, не происходит поворота фазы сигнала на 180°, как это имело место в схемах с заземленным эмиттером или истоком. Например, в схеме, приведенной на рис. 1.3, а, положительная полуволна входного сигнала уменьшает прямое смещение эмиттерного перехода, что приводит к уменьшению тока коллектора. Поэтому падение напряжения на R u уменьшится Так как это падение напряжения приложено минусом к выводу коллектора и плюсом к источнику питания, то напряжение коллектора станет менее отрицательным. Следовательно, положительной полуволне входного напряжения соответствует положительная полуволна выходного напряжения. 3.3. Усилители с общим коллектором и общим стоком В схеме, показанной на рис. 1.4, а, коллектор для переменной составляющей сигнала заземлен. Поэтому данную схему можно рассматривать как схему с общим (заземленным) коллектором (ОК). Обычно эту схему называют эмиттерным повторителем (ЭП). Схема полезна, когда нужно понизить выходное сопротивление каскада: выходное сопротивление ЭП во много раз меньше его высокого входного сопротивления. Эмиттерный повторитель может заменить согласующий трансформатор. При этом снижается стоимость производства, уменьшаются габариты устройства и ослабляется влияние шунтирующих паразитных емкостей. В схемах, показанных на рис. 1.4, не происходит поворота фазы выходного сигнала относительно входного; при этом величина напряжения выходного сигнала примерно равна величине напряжения входного сигнала, поэтому эти схемы и называют повторителями. Аналогичная схема усилителя на полевом транзисторе приведена на рис. l.4, б; она называется потоковым. повторителем или схемой с общим (заземленным) стоком. Схема повторителя, используемая на практике, изображена на рис. 1.4, в. Она включает входную и выходную разделительные емкости, а также выводы заземления входной и выходной цепей. Предполагается, что в схемах, изображенных на рис. 1.4, бив, вывод стока заземлен для сигнала либо шунтирующей емкостью, как показано на рис. l.4, а, либо емкостью фильтра источника питания. Рис. 1.4. Схемы эмиттерного и истокового повторителей. Аналогично вывод резистора R 1 (рис. 1.4, а — в), подключаемый к источнику смещающего напряжения, заземлен либо емкостью фильтра источника, либо дополнительной шунтирующей емкостью. Так как сопротивление цепи затвора МОП-транзистора очень высоко, входное сопротивление истокового повторителя на таком транзисторе практически равно Rь В эмиттерных и истоковых повторителях коэффициент усиления по напряжению всегда меньше единицы, хотя при этом коэффициент усиления по току, как правило, значительно больше единицы. Эти схемы в основном применяются для согласования входных и выходных импедансов в цепях передачи сигналов, а также для развязки между каскадами. В последнем случае повторители используются как буферные каскады. 1.4. Классификация усилителей Усилители в электронике предназначаются для усиления напряжения или мощности сигнала до уровня, который требуется для нормальной работы подключенного к усилителю устройства: следующего каскада усилителя, громкоговорителя, записывающей головки и т. п. Усилители подразделяются на усилители, напряжения и усилители мощности, а также на усилители малых и больших сигналов. В зависимости от частоты усиливаемых сигналов и выполняемой функции их называют усилителями низкой частоты (УНЧ), усилителями промежуточной частоты (УПЧ), усилителями радио- или высокой частоты (УВЧ) и т. д. Усилители также различают по их рабочим характеристикам, зависящим от режима работы, — от соотношения между уровнем установленного напряжения смещения и амплитудой входного сигнала. В этом смысле различные классы усилителей обозначают символами А, АВ Ь АВ 2) В и С. В ламповых усилителях эти символы указывали режимы работы с сеточными токами и без них. Так, символ ABi означал, что потенциал сетки в процессе работы всегда отрицателен по отношению к катоду, а символ АВ 2 указывал на то, что при максимальном; входном сигнале потенциал сетки мог быть умеренно положительным. В основном эта классификация сохранена и для транзисторных усилителей, но здесь определяющим признаком является относительная величина амплитуды входного сигнала. Усилители низкой частоты класса А могут быть однотакт-ными (на одном транзисторе) или двухтактными (на двух транзисторах). Усилители НЧ класса ABi предпочтительнее собирать по двухтактной схеме. Что касается усилителей классов-АВ 2 и В, то их необходимо выполнять по двухтактной схеме для снижения нелинейных искажений до допустимого уровня. Усилители высокой частоты всех классов могут быть как одно-, так и двухтактными, поскольку резонансные цепи таких усилителей хорошо подавляют гармонические составляющие, лежащие вне полосы пропускания усилителей. В усилителях класса А рабочая точка транзистора устанавливается примерно в середине линейной части линеаризованных выходных характеристик транзистора. (Рабочая точка определяет ток транзистора при отсутствии сигнала. — Прим.. ред.) Амплитуда входного сигнала не должна превышать уровня, при котором изображающая точка усилителя заходит в нелинейные (искривленные) области выходных характеристик транзистора. В этом случае нелинейные искажения минимальны и форма выходного сигнала наиболее близка к форме сигнала на входе. Усилитель класса А потребляет ток даже при отсутствии входного сигнала. Поэтому к. п. д. усилителя (отношение мощности выходного сигнала к потребляемой мощности) низок и в большинстве случаев составляет 20 — 25% при максимальном сигнале. Таким образом, по сравнению с другими типами усилителей усилители класса А имеют малые нелинейные искажения и небольшую выходную мощность. Если амплитуда входного сигнала настолько велика, что изображающая точка усилителя достигает границ областей отсечки и насыщения, полагают, что усилитель работает в режиме класса АВ,. К. п. д. усилителя класса AB t достигает 35% (он зависит от величины напряжения смещения, амплитуды входного сигнала и усилительных свойств транзистора). Если же при наибольшей амплитуде входного сигнала изображающая точка незначительно заходит в области отсечки и насыщения, то такой режим работы соответствует режиму работы усилителя класса АВ 2 . В усилителях класса АВ 2 (обычно также и класса ABi) напряжение смещения устанавливают таким, что-бы рабочая точка на выходных характеристиках транзистора находилась посредине между напряжениями отсечки и насыщения транзистора. К. п. д. усилителя класса АВ 2 колеблется от 35 до 50%, причем, как и в усилителях класса АВ 1 , к. п. д. зависит от величины напряжения смещения, характеристик выбранного транзистора и амплитуды сигнала. Нелинейные искажения в усилителях класса ABj, и особенно класса АВ 2 , выше, чем в усилителях класса А, поскольку в них в процессе работы изображающая точка заходит в нелинейные участки характеристик транзисторов. В усилителях класса В напряжение смещения устанавливается равным или почти равным напряжению отсечки. Следовательно, в однотактном усилителе такого типа усиливается только одна (отпирающая) полуволна переменного входного сигнала, так как при другой (запирающей) полуволне изображающая точка попадает в зону отсечки; при отпирающей полуволне сигнала эмиттерный переход находится в состоянии про- водимости. Поэтому для усиления всего входного сигнала необходимо использовать двухтактную схему построения усилителя. В усилителях же высокой частоты запирающая полуволна сигнала воспроизводится благодаря колебательным свойствам резонансных цепей. Следовательно, в этом случае можно применять и однотактные усилители, хотя предпочтение отдается двухтактным каскадам (см. разд. 1.11). В хорошо сбалансированном двухтактном усилителе класса В нелинейные искажения могут быть снижены до уровня, сравнимого с уровнем искажений в усилителе класса АВ 2 . При максимальном входном сигнале к.п. д. усилителя класса В составляет 60 — 70%; при этом достигается также хороший коэффициент усиления по мощности. Характеристики усилителей класса С таковы, что их применяют только в ВЧ-усилителях мощности, преимущественно в каскадах передатчиков. Надлежащим смещением рабочая точка устанавливается ниже уровня отсечки тока транзистора. Так как напряжение смещения может быть в два или три раза больше напряжения отсечки, то на вход усилителя следует подавать сигнал большой амплитуды. Поскольку напряжение смещения больше напряжения отсечки, коллекторный ток течет лишь в течение части полупериода входного сигнала. Поэтому к.п.д. такого усилителя высок и может достигать 90%. Величина к.п.д. зависит от типа используемого мощного транзистора, величины управляющего сигнала и постоянных напряжений, определяющих режим работы усилителя. В ВЧ-усилителях класса С обычно применяются резонансные LC-цепи. При максимальном токе сопротивление коллекторного перехода транзистора мало, в то время как сопротивление параллельного колебательного контура при резонансе велико. Поэтому большая часть энергии выделяется в колебательном контуре, а потери энергии малы, что обеспечивает высокий к.п.д. усилителя класса С. 1.5. Типы связи между каскадами Каскады усилителей низкой частоты можно соединять при помощи конденсаторов, трансформаторов или непосредственным образом. На рис. 1.5 показана типичная RC-связъ между каскадами. Здесь выходной сигнал транзистора Т 1 , действующий на резисторе Rz, поступает на вход базы транзистора Т 2 следующего каскада через разделительный конденсатор С 5 , обладающий малым реактивным сопротивлением. Этот конденсатор не пропускает постоянной составляющей напряжения и тем самым предотвращает нарушение режима по постоянному току следующего каскада. На Т 1 входной сигнал поступает также через конденсатор. Рис. 1.5. RC связь между каскадами. Рис. 1.6. Усилитель постоянного тока на транзисторах с проводимостью разного типа. Емкость конденсатора С 5 должна быть достаточно большой, чтобы этот элемент представлял собой малое реактивное сопротивление для передаваемого сигнала. Так как реактивное сопротивление конденсатора с понижением частоты сигнала возрастает, емкостная связь вызывает неравномерность усиления в тех случаях, когда передаваемый сигнал содержит широкий спектр частот (спектр звуковых частот лежит в диапазоне при- мерно 30 Гц — 15 кГц). Желательно, чтобы реактивное сопротивление конденсатора Сз было в два (или более) раза меньше сопротивления резистора R 4 . Заметим, что конденсатор С 5 соединен последовательно с резистором R 4 , другой вывод которого заземлен для сигнала через конденсатор С 4 . Таким образом, выходной сигнал транзистора Т 1 передается на базу транзистора Т 2 через цепочку, составленную из конденсатора С 5 и резистора R 4 , причем на базу поступает только часть передаваемого напряжения, которая падает на R 4 . Следовательно, чем меньше реактивное сопротивление конденсатора Сз по сравнению с сопротивлением R 4 , тем большая часть сигнала поступает на вход транзистора Т 2 . В усилителях с непосредственной связью вспомогательные элементы (разделительные конденсаторы или трансформаторы) не используются. В таких усилителях выход одного каскада непосредственно присоединяется к входу следующего каскада. По этой причине исключаются недостатки RС-связи и частотная характеристика усилителя расширяется в область низких частот вплоть до постоянного тока. На рис. 1.6 показан усилитель с непосредственной связью, в котором используются транзисторы разных типов проводимости: n — р — nи р — n — р; коллектор первого транзистора присоединен непосредственно к базе второго. Требуемые прямое и обратное смещения для обоих транзисторов обеспечиваются юдним источником питания. Отрицательный потенциал, необходимый для эмиттера n — р — n-транзистора, поступает от отрица тельного вывода источника через общую землю. Положительный вывод источника присоединен к делителю напряжения на резисторах R 1 и R 2 . Выходное напряжение этого делителя положительно относительно земли, и поскольку оно поступает на базу транзистора Т 1 , потенциал базы положителен относительно эмиттера. Коллектор n — р — n-транзистора положителен относительно эмиттера, так как подключен к положительному выводу источника через резистор R 3 . Рис. 1.7. Усилитель мощности с трансформаторным выходом. Для получения нужного прямого смещения во входной цепи транзистора Т 2 его эмиттер присоединен к положительному выводу источника. База второго транзистора также положительна, так как соединена с положительным выводом источника через делитель напряжения, образуемый резистором R z и внутренним сопротивлением транзистора Т 1 . Следовательно, потенциал коллектора транзистора Т 1 и базы Т 2 отрицателен относительно положительного вывода источника. Поэтому потенциал базы второго транзистора отрицательнее потенциала эмиттера на величину падения напряжения на R 3 . Необходимый отрицательный потенциал коллектора второго транзистора создается путем подсоединения коллектора к отрицательному выводу источника питания через резистор R±. Таким образом, обеспечивается требуемое обратное смещение коллекторного перехода р — n — р-транзистора. Трансформаторные выходные каскады и трансформаторная связь между каскадами иногда используются в низкокачественных недорогих радиоприемниках. В высококачественных устройствах трансформаторы обычно не применяются. Для сигналов разных частот индуктивности обмоток трансформаторов имеют разные сопротивления, что приводит к увеличению неравномерности амплитудно-частотных характеристик. Кроме этого, первичные и вторичные обмотки трансформаторов имеют распределенные емкости, которые понижают коэффициент трансформации для ВЧ-составляющих сигнала. Типичная схема усилителя звуковых частот с емкостной связью на входе и трансформаторной на выходе показана на рис. 1.7. Такой усилитель называется однотактным в отличие от двухтактных, которые будут описаны ниже. Входной сигнал поступает на вход транзистора с регулятора усиления через цепочку связи, состоящую из конденсатора C 1 и резисторов R 2 и R 5 . Собственно сигнал прикладывается между базой и эмиттером транзистора, так как цепь R 3 C 3 служит для температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Переменный ток, появляющийся при этом в коллекторной цепи транзистора, создает усиленный по мощности сигнал. Здесь использован выходной трансформатор звуковой частоты, хотя, как будет показано далее в этом разделе, без этого элемента вполне можно обойтись. Трансформатор обеспечивает согласование между импедансом катушки громкоговорителя Z 2 и выходным импедансом коллекторной цепи транзистора Z 1 . Коэф- фициент трансформации nвыходного трансформатора можно записать как (1.4) Таким образом, если, например, необходимо согласовать импеданс катушки громкоговорителя Zz = 8 Ом с выходным импедансом усилителя Zi = 8000OM, то отношение числа витков первичной обмотки трансформатора к вторичной должно быть равно примерно 32, так как Это отношение можно реализовать, если, например, число витков первичной обмотки будет составлять 320, а вторичной — 10 (или первичной 640 витков, а вторичной — 20). При низком качестве трансформаторов, кроме упомянутых выше потерь сигнала из-за распределенных емкостей, возникают также потери из-за действия вихревых токов. При прочих равных условиях трансформатор с сердечником большего сечения имеет меньшее число витков в обмотках, поэтому сопротив- ление обмоток постоянному току у такого трансформатора получается меньшим. Так как при увеличении площади сечения сердечника увеличивается магнитная проводимость, то число витков, необходимое для получения той же индуктивности, уменьшается. На омическом сопротивлении любой обмотки трансформатора будет теряться звуковая мощность, поэтому сопротивления обмоток постоянному току стараются сводить к разумному минимуму. 1.6. Цепи развязки Цепи развязки применяют для того, чтобы устранить паразитную обратную связь между каскадами через общий источник питания. Цепи развязки используют также в качестве схемы частотной коррекции усилителя для компенсации потерь усиления на низких частотах. Кроме того, такие цепи обеспечивают требуемый режим питания цепи коллектора по постоянному току. В связи с этим цепи развязки часто находят применение в различных звуковых и радиочастотных усилителях. Рис. 1.8. Схема развязки по питанию. В НЧ-усилителе (рис. 1.8) в качестве развязывающей цепочки используются резистор R 3 и конденсатор С 3 Конденсатор имеет малое реактивное сопротивление для сигнала (особенно на высоких частотах) и поэтому уменьшает паразитную связь через источник питания. Резистор R 2 является нагрузкой, на которой выделяется сигнал, передаваемый на следующий каскад. Конденсатор С 3 шунтирует резистор R 3 и таким образом заземляет сигнал, поскольку имеет для него малое реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление конденсатора различно на разных частотах — для высокочастотных составляющих сигнала оно меньше. По этой причине развязывающая цепь действует как схема частотной коррекции, которая при изменении частоты сигнала меняет сопротивление нагрузки транзистора. На высоких частотах, где реактивное сопротивление конденсатора мало, конденсатор С 3 в сильной степени шунтирует резистор R 3 , поэтому почти все напряжение сигнала выделяется на резисторе R 2 . Поскольку разделительный конденсатор С 2 также имеет малое реактивное сопротивление на высоких частотах, большая часть сигнала поступает на следующий каскад. Однако на низких частотах реактивное сопротивление С 2 возрастает, поэтому амплитуда сигнала, поступающего на следующий каскад, уменьшается, т. е. низкочастотные сигналы ослабляются. Цепочка R 3 C 3 осуществляет развязку до тех пор, пока на низких частотах не ослабляется шунтирующее действие конденсатора С 3 . В этом случае сигнал выделяется как на R 2 , так и на Rз и общая величина сопротивления нагрузки увеличивается, так же как возрастает и падение на нем напряжения сигнала. Это увеличение амплитуды сигнала компенсирует ослабление, вызываемое разделительным конденсатором С 2 . Таким образом, развязывающая цепочка имеет разные параметры для разных частотных составляющих сигнала. На практике величину сопротивления R 3 выбирают из условия Rз = 0,2R 2 , и Rз должно быть примерно в 10 раз больше реактивного сопротивления С 3 на самой низкой частоте, которую должен пропускать усилительный каскад. На рис. 1.8 приведена часть схемы усилителя с типичными значениями элементов. В усилителях радиочастоты величина емкости может быть значительно меньше, так как для ВЧ-сигналов реактивное со- противление емкости существенно ниже. |