6. Усилительные каскады на полевых транзисторах

В настоящее время широкое распространение получили усилитель­ные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают сущес­твенно большим входным сопротивлением по сравнению с усилитель­ными каскадами на биполярных транзисторах. Наиболее часто ис­пользуют усилительный каскад с общим истоком, схема которого при­ведена на рис, 3.15. В этом каскаде резистор R_c, с помощью которого осуществляетсяусиление, включен в цепь стока. В цепь истока полево­го транзистора VT включен резистор Я_и, создающий необходимое падение напряжения в режиме покоя £/₃0' ^ЯВЛЯЮ1Д^ееся напряжением смещения между затвором и истоком.

Это явление, называемое отрицательной обратной связью, приводит к уменьшению коэффициента усиления усилительного каскада. Для его ус­транения параллельно резистору Я_и включают конденсатор С_и> сопротив­ление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения долж­но быть во много раз (обычно в 10 раз) меньше сопротивления резистора

tfu • При этом условии падение напряжения от тока истока на цепоч­ке ^И' ^и> называемой звеном автоматического смещения, очень не­большое, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада. Поэто-_му этот каскад называют усилительным каскадом с общим истоком.

Выходное напряжение снимается через конденсатор связи С_с между стоком и общей точкой каскада, т.е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком. Рабочая точка в режиме покоя обычно соответствует середине линейного участка пе­реходной характеристики, так как при этом нелинейные искажения усиливаемого напряжения минимальны. Выбрав положение рабочей точки и определив для нее значения напряжения смещения {/₃о ^и тока стока /_Со> находят сопротивление резистора звена автоматического смещения:

Емкость конденсатора звена автоматического смещения рассчиты­вают обычно по формуле

где/_н — наинизшая частота усиливаемого напряжения.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряже­ния появляется переменная составляющая тока стока i_c. Изменение этого тока приводит к изменению напряжения Uq между стоком и исто­ком; его переменная составляющая и_с, численно равная и противопо­ложная по фазе падению напряжения на резисторе Л_с, является вы­ходным напряжением усилительного каскада:"Видно, что выходное напряжение противофазно входному, при­чем оно значительно больше входного напряжения, так как напряже­ние в цепи стока значительно больше, чем в цепи затвора.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общим истокомДе S — крутизна, a R_t— внутреннее (выходное) сопротивление пол-^евого транзистора.

входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление^е>кДу затвором и истоком, имеет значение порядка 10⁸ Ом. Поэтому входное сопротивление рассматриваемого усилительного каскада оп­ределяется сопротивлением резистора Л₃, который подключен парал­лельно входным зажимам полевого транзистора:Выходное сопротивление <■ шременных полевых транзисторов, т.е. сопротивление между стоком и истоком, имеет значение порядка 10⁴ - 10⁵ Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каска­да на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора R_c : Я_вых « Л_с =10³ -ь 10⁴ Ом, т.е. R_Bhlx « R_BX , что является важным преимуществом усилительных каскадов на полевых транзисторах.

Помимо усилительных каскадов с общим истоком в устройствах про­мышленной электроники применяют усилительные каскады с общим сто­ком (рис. 3.16). В этом каскаде нагрузочный резистор R^ включен в цепь истока, а сток по переменным составляющим тока и напряжения соединен с общей точкой усилителя. Выходное напряжение, равное переменной составляющей падения напряжения на резисторе Я_и , сни­мается через конденсатор связи С_с. Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим стоком аналогичен по своим свойствам эмит-терному повторителю. Он обладает большими входным сопротивле­нием и коэффициентом усиления по току, малым выходным сопро­тивлением. Его часто называют истоковым повторителем.

7. РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВВ зависимости ог положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также от значения усиливаемого на­пряжения различают три основных режима работы усилительных кас­кадов, или классов усиления: А, В, и С. Основными характеристика­ми этих режимов являются нелинейные искажения и КПД.

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) вход­ной и переходной характеристик транзистора. На рис. 3.18 для ре­жима А показано положение рабочей точки на переходной характерис­тике, линии нагрузки и выходных характеристиках транзистора. Зна­чение входного напряжения в режиме А должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке ха­рактеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого на­пряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительно-^го каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широ-^Ко применяют в усилителях напряжения Однако он имеет и сущес­твенный недостаток — очень низкий КПД усилителя.

КПД усилителя определяется отношением выходной мощности к мощ­ности потребления усилителем энергии от источника питания. Выходная мощность, создаваемая усилительным каскадом на транзисторе в режиме А,

Л,ых = 0.5 IW^ , (3.29)

где U_Knv 7^ — соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Потребляемая усилителем энергия частично преобразуется в вы­ходную энергию, а частично переходит в теплоту, выделяемую в эле­ментах усилительного каскада. Мощность энергопотребления равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора:Таким образом, КПД усилительного каскада

Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочую точку Я выби­рают в начале переходной характеристики (рис. 3.19). Эта точка называ­ется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напря­жения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение >силительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусои­ды, т.е. нелинейные искажения очень большие. Режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности. Режим В характеризуется значительно более высоким КПД усили­теля по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а лостоянная составляющая тока при нали­чии входного напряжения имеет сравнительно небольшое значение. КПД усилителя, работающего в режиме В, может достигать 0,8.

Иногда используют режим работы усилительного каскада, проме­ жуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. Рабо­ чая точка покоя при этом должна находиться в интервале между пол­ ожениями рабочей точки в режимах А и В. В этом случае КПД усили­ теля больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В. . _ -.

РежимС. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного на­пряжения (рис. 3.20). Этот режим сопровождается большими искаже­ниями усиливаемого напряжения, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избира­тельных усилителях и-автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых устройств вы­деляют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие больших нелинейных искажений.

8. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Рассмотренные в предыдущих параграфах усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах используются, как правило,или для усиления напряжения (усилительные каскады с общим эмит-гером и с общим истоком), или для усиления тока (усилительные кас­кады с общим коллектором и с общим стоком). Хотя каждый из этих /силительных каскадов обеспечивает получение на выходе сигналов, иощность которых значительно превышает мощность входных сиг­налов, но критерием оптимальности для них обычно бывает получе­ние не максимального коэффициента усиления по мощности К_Р , а талучение К_{ц макс} или К_{{ макс}.

Однако в промышленной электронике очень часто возникает не­обходимость получения в нагрузочном устройстве максимальной мощ­ности усиленного сигнала. Усилительные каскады, обеспечивающие выполнение этого условия, т.е. получения К_{Р макс}, называют усилите-

1ЯМИ МОЩНОСТИ.

Получение требуемой мощности в нагрузочном устройстве обес-течивается прежде всего выбором соответствующего транзистора. При зыбранном транзисторе и заданном источнике усиливаемого сигнала юлучение максимальной мощности в нагрузочном устройстве воз­можно лишь тогда, когда его сопротивление равно выходному сопро-гивлению усилительного каскада, т.е. при равенстве сопротивлений енерирующего и приемного устройств.

Выходное сопротивление усилительных каскадов с общим эмитте­ром и общим истоком составляет обычно сотни ом и единицы килоом, а сопротивление нагрузочных устройств часто оказывается в несколько раз меньше. Для согласования сопротивлений нагрузочного устройства с выходным сопротивлением усилителя мощности служат понижающие трансформаторы (рис. 3.21), у которых приведенное к первичной обмот­ке трансформатора сопротивление нагрузочного резистора:R'_H=№)\₉где W[, w₂— числа витков соответственно первичной и вторичной об­моток трансформатора.

Двухтактный усилитель мощности (рис. 3.22) состоит из двух сим­метричных плеч. ТранзисторыVT\ и КГ₂, которые подбирают с макси­мально близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме Единственным отличием в работе плеч усилителя является противо-фазность токов и напряжений в цепях баз транзисторов и обуслов­ленная этим противофазность переменных токов и напряжений в кол­лекторных цепях.

Назначение элементов двухтактного усилителя аналогично назна­чению соответствующих элементов однотактного усилителя с учетом того, что они обслуживают два транзистора. Входной трансформа­тор ГК_ВХ обеспечивает получение двух одинаковых по модулю, но противоположных по фазе напряжений w_Bxl и w_Bx2. Выходной тран­сформатор 7T_BbIX суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. Ко вторичной обмотке трансформатора ТУ_ВЫХ подклю­чено нагрузочное устройство с сопротивлением R_H.

Преимущества двухтактных усилителей мощности — меньшие не­линейные искажения, возможность получения высокого КПД при ис­пользовании режима В.

Вместе с тем двухтактным усилителям мощности присущи недостат­ки, обусловленные усложнением их схемы и конструкции. К ним следует отнести необходимость в двух идентичных транзисторах и выходном трансформаторе с выводом средней точки первичной обмотки, наличие двух противофазных входных напряжений, для чего также требуется трансформатор с выводом средней точки или специальное устройство

Бестрансформаторные усилители мощности. Бестрансформаторный усилитель мощности (рис. 3.23), являющийся двухтактным усилителем, собирают из транзисторов разных типов УТ_Х—типа р-п-р и VT₂—типа п-р-п. Транзисторы обычно включают по схеме с общим коллектором* так как это обеспечивает минимальное выходное сопротивление, что особенно важно при работе усилителя на низкоомное нагрузочно^е

устройство. Независимо от схемы включения транзисторы должны быть подобраны по возможности одинаковыми. Конденсатор С_х разделяет по постоянному току источник усили­ваемого сигнала и входную цепь усилителя мощности, а конденсатор С₂—нагрузочное устройство и эмиттерные цепи транзисторов.

На базы транзисторов VT\ и VT₂ воздействует одно и то же перемен­ное напряжение w_BX. Однако в силу различной структуры транзисторов токи в их цепях противофазны. Нагрузочное устройство с сопротив­лением R_H подключено к общей точке транзисторов, поэтому пере­менные токи в нем имеют одно и то же направление, а результирую­щий ток в два раза превышает переменный ток одного транзистора.

Бестрансформаторный усилитель мощности, как правило, работает в режиме В. Основное преимущество бестрансформаторного усилителя мощности — отсутствие входного и выходного трансформаторов. Недо­статок —трудность подбора одинаковых транзисторов типа р-п-р и п-р-п.

.9. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход.

На рис. 3.29 изображена структурная схема усилителя с обратной связью. Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако они иногда возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными. Если при наличии обратной связи входное напряжение и_ъх склады­вается с напряжением обратной связи и_{0 с}, в результате чего на усили­тель передается увеличенное напряжение М|, то такую обратную связь называют положительной. Если после введения обратной связи напряжение щ на входе и и_вык на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием на­пряжения обратной связи из входного напряжения и_вх , то такую об­ратную связь называют отрицательной. Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току. В обратной связи по напряжению и_ос = (3 w_BbIX , где р — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. В обрат­ной связи по току ы_{0 с} = R_{0 с} /_вых , где R_{0 с} — взаимное сопротивление выходной цепи и цепи обратной связи. Кроме того, все обратные связи по виду входных цепей усилителей подразделяют на последова­тельные, при которых цепи обратной связи включают последователь­но с входными цепями усилителя, и параллельные, когда цепь обрат­ной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

В результате вве­дения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свой­ства усилителя.

а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;б) снижается уровень нелинейных искажений;

в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя;

г) расширяется полоса пропускания усилителя.

Отрицательная обратная связь уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Это можно объяснить следующим образом В усилителе без обратной связи при большом входном напряжении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении помимо основной гармо­ники появляются высшие гармонические составляющие, наличие которых искажает форму выходного напряжения. При введении отрицательной об­ратной связи высшие гармонические составляющие через звено обратной связи подаются на вход усилителя и усиленными появляются на его выхо­де Усиленные высшие гармоники вычитаются из выходного напряжения усилителя, так как благодаря действию отрицательной обратной связи они будут поступать в противофазе с высшими гармоническими составля­ющими, появляющимися вследствие нелинейных искажений усилителя Таким образом, содержание гармоник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а следовательно, искажения усиливаемого на­пряжения в усилителе с отрицательной обратной связью будут меньше

На рис 3.30 показана схема усилителя с последовательной отрица­тельной обратной связью по току Как видно, и_{0 с}= R_{0 с}/_вых Такая обрат­ная связь возникает только при наличии выходного тока, т.е. при работе усилителя на нагрузочное устройство. Рис 3.30. Схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по току Последовательная отрицательная обратная связь по току увеличивает и входное и выходное сопротивления усилителя и не изменяет его коэф­фициента усиления по напряжению в режиме холостого хода K_Ux, но за счет увеличения выходного сопротивления уменьшает выходной ток. До сих пор рассматривались обратные связи, создаваемые в усилите­лях специально. Ниже будут рассмотрены паразитные обратные связи, которые возникают в усилителе самопроизвольно и очень часто сущес­твенно ухудшают его работу.

Существует несколько видов паразитных обратных связей:

1. паразитная связь между каскадами через цепи питания;

1. емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

2. магнитная связь, появляющаяся при близком расположении вход­ных и выходных трансформаторов усилителя.

Если в усилителе имеется слабая положительная обратная связь, то ухудшение его работы проявляется в увеличении частотных и нелиней­ных искажений. Когда же в усилителе появляются сильная паразитная положительная обратная связь (РА«1), он может самовозбудиться, так как в соответствии с (3.47) при fiK ->1: 1~р# -> 0 и К_ос -хх>, т.е. в отсутствие входного напряжения, на выходе усилителя может появиться переменное выходное напряжение.

Наиболее серьезной паразитной обратной связью является связь меж­ду каскадами через цепи питания. Такая связь обычно имеется в много­каскадном усилителе, питающемся от одного источника питания. В этом случае токи всех каскадов усилителя замыкаются через источник пита­ния. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания заметное падение напряжения от переменной состав- ддощей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания пер-_Bbix каскадов усилителя, образуя нежелательные паразитные обратные _сБязи. Для устранения такого вида обратных связей применяют развязы­вающие Г-образные RC-фильтры, как при сглаживании пульсаций напря­жения в выпрямителе. Иногда первые каскады даже питают от отдельно­го выпрямителя.

Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за нерационального монтажа, когда в многокаскадном усилителе выход­ные цепи усилителя расположены вблизи от его входных цепей, что при­водит к возникновению заметной емкости и взаимной индуктивности между элементами входной и выходной цепей. Такие виды обратной свя­зи устраняют в основном рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя. Для этого индуктивные катушки, трансфор­маторы, соединительные провода и выходные цепи помещают в специ­альные экраны.

В заключение отметим, что устранять паразитные обратные связи до­вольно сложно, это требует большого практического опыта