10.4.3 Каскад с вольтодобавкой

Для полной раскачки выходного каскада амплитуда синусоидального напряжения на его входе должна быть больше Е/2. Добиться этого и значительно повысить максимальную выходную мощность и КПД можно, применяя в каскаде положительную обратную связь (рис. 10.5). Она подается в цепь питания VT1 через элементы R_св и С_св, и ее называют обратной связью по питанию или вольтодобавкой. ПОС увеличивает напряжение питания предоконечного каскада в полупериод закрывания VT1, что позволяет снять с VT1 амплитуду напряжения, достаточную для полного открывания VT2. За счет ПОС существенно возрастает и коэффициент усиления каскада по напряжению.

10.4.4 Выходной каскад унч с квазидополнительной симметрией

При большой величине мощности, отдаваемой в нагрузку (единицы–десятки ватт), для уменьшения тока покоя VT1 в двухтактном выходном каскаде применяют составные транзисторы, причем оконечные транзисторы берут однотипными с целью их унификации (рис. 10.6). Такие схемы каскадов называют схемами с квазидополнительной симметрией. Здесь транзисторы VT2, VT4 образуют составной эмиттерный повторитель (ОК-ОК), а транзисторы VT3, VT5 – двухкаскадный усилитель ОЭ-ОЭ со стопроцентной последовательной ООС по напряжению, также неинвертирующий фазу, имеющий и другие характеристики, подобные каскаду с ОК. РезисторыR3–R6 служат для симметрирования схемы и стабилизации исходных рабочих точек оконечных транзисторов. Чтобы R5 и R6 не сильно уменьшали КПД, их сопротивления берут порядка 5…10% от R_Н. Сопротивления резисторов R3 и R4 принимают такими, чтобы их токи были в несколько раз больше исходных токов баз VT4 и VT5. Требуемое исходное напряжение на R_см близко к сумме пороговых напряжений база-эмиттер транзисторов VT2, VT3, VT4 и составляет около двух вольт. Для термостабилизации тока покоя оконечных транзисторов вместо резистора R_см часто включают два-три последовательно соединенных диода.

Усилитель питается от двухполярного источника. В точке покоя напряжение на нагрузке устанавливается равным нулю (это можно сделать изменением сопротивления резистора R1) и выходной конденсатор большой емкости не требуется. В УНЧ используются цепь параллельной ООС по напряжению через резистор R1 и вольтодобавочная цепь параллельной положительной обратной связи по напряжению за счет элементов R_св и С_св.

По переменному току резистор R_св включен параллельно нагрузке. Поэтому, чтобы на нем терялась незначительная часть выходной мощности, принимают . Обычно выбирают.

Требуемая максимальная выходная мощность транзисторов

.

Максимальная амплитуда тока нагрузки

.

Ориентировочное значение напряжения питания одного плеча

,

где остаточное напряжение составляет примерно 1 В, так как коллекторы транзисторов VT2 и VT4 соединены и .

11 Операционные усилители

11.1 Дифференциальный усилительный каскад

При контроле и измерении многих неэлектрических величин возникает необходимость усиления сигналов очень низких частот. Для этого требуются усилители постоянного тока. УПТ обычно запитывают от двухполярного источника и обеспечивают в точке покоя U_вых = 0 при U_вх = 0. При построении УПТ невозможно использование разделительных конденсаторов и трансформаторов в цепи связи между каскадами и с нагрузкой, поэтому применяется непосредственная (гальваническая) связь каскадов.

Усилители постоянного тока имеют специфический недостаток – дрейф нуля, затрудняющий усиление малых напряжений и токов. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и на выходе появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Причины дрейфа – нестабильность источников питания, старение транзисторов, изменение температуры окружающей среды. Нестабильность выходного напряжения УПТ DU_вых принципиально не отличается от полезного сигнала.

Величину дрейфа обычно оценивают дрейфом нуля, приведенным ко входу УПТ:

(11.1)

Таким образом, е_др – это такой источник, подключение которого ко входу УПТ компенсирует нестабильность выходного напряжения.

Приведенный к входу дрейф нулевого уровня одиночного каскада УПТ на биполярном транзисторе нельзя сделать меньшим DU_Т, т.е. примерно 2 мВ/К. Введение отрицательной обратной связи не снижает е_др, так как, наряду со снижением нестабильности рабочей точки, еще в большей степени уменьшается коэффициент усиления каскада.

Для уменьшения дрейфа, кроме стабилизации питающих напряжений, применяют специальные схемы (рис. 11.1), так называемые дифференциальные или балансные усилительные каскады (ДУ). Каскад обычно питается от двухполярного источника (с одинаковыми по величине напряжениями +Е и –Е), относительно общей точки которого ведется отсчет входных (и) и выходных (и) напряжений (рис. 11.1,а). Симметрия схемы относительно генератора постоянного тока практически устраняет дрейф нулевого уровня из-за температурного смещения входных и выходных характеристик транзисторови(транзисторы идентичны).

Если входные напряжения исовпадают по фазе и одинаковы по амплитуде (такие сигналы называют синфазными)

,

то токи в плечах ДУ остаются постоянными (в силу симметрии схемы они равны ). При этом, а между коллекторами транзисторовиотсутствует разность потенциалов

.

Если на вход ДУ подается дифференциальный входной сигнал , то происходит перераспределение токов между плечами каскада, но сумма токовостается постоянной. На рис. 11.1,б показаны зависимости иот, определяемые соотношениями

и ,

где – температурный потенциал;

k – постоянная Больцмана;

Т – температура перехода по абсолютной шкале;

е – заряд электрона.

При комнатной температуре мВ. Линейный диапазон изменения входного дифференциального напряжения составляет примерно, а полный –. Если нагрузка включается между коллекторами транзисторови(например, стрелочный милливольтметр), реализуются усилительные свойства обеих половин ДУ. Но часто используется и несимметричный выход, когда в качестве выходного сигнала используется изменениеили(иравны по величине, но противоположны по фазе).

Для оценки коэффициентов передачи по напряжению для входного дифференциального сигнала и (рис. 11.2, а) воспользуемся эквивалентной схемой для приращений напряжений и токов (рис. 11.2, б).





i_б

i_б

а

б

Входное сопротивление для дифференциального сигнала (обходим контур ABC)

, (11.2)

т.е. в два раза больше, чем для каскада по схеме с общим эмиттером.

Приращения выходных напряжений можно оценить как

.

Коэффициенты усиления входного дифференциального напряжения

. (11.3)

Переменная составляющая напряжения в точке В (общая точка эмиттеров транзисторов и) равна половине. Она является входным сигналом для транзистора, включенного по схеме с общей базой. Его входное сопротивление является элементом последовательной обратной связи по току для транзистора, увеличивающим входное сопротивление со стороны базы этого транзистора.

Сопротивление эмиттерного перехода связано с током эмиттера транзистора соотношением . (11.4)

Рис. 11.3 – Схема для оценки коэффициента передачи синфазного сигнала в дифференциальном усилителе

Для уменьшения входных токов и повышения входного сопротивления входной дифференциальный каскад переводят в режим микротоков. При этом >>и справедливы соотношения

и . (11.5)

Выходное сопротивление реального генератора постоянного тока не равно бесконечности. Вследствие этого даже при полной симметрии плеч наблюдаются определенные измененияилипри изменении входного синфазного напряжения (рис. 11.3,а). Для оценки коэффициента передачи синфазного напряжения воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной к одному плечу дифференциального усилителя (рис. 11.3, б).

Входное сопротивление синфазному сигналу

.(11.6)

Коэффициент передачи синфазного напряжения

. (11.7)

Важной характеристикой дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала , определяемый отношением коэффициентов усиленияK и :

. (11.8)

Его часто оценивают в децибелах

.