книги / Электронные усилители

каженця, которые проявляются в виде отсечки тока. Это иллюст­ рируется временной диаграммой и сквозной характеристикой, при­ веденными на рис. 4.25, а.

Переходные искажения в двухтактных каскадах вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов при малых входных сигналах. Количественно переходные искажения оцени­ ваются временем переключения усилительных элементов.

Уменьшение переходных искажений достигается применением режима класса АВ, при котором на вход усилительного элемента подастся соответствующее напряжение смещения. Из приведенной на рис. 4.25,6 сквозной характеристики и временной диаграммы двухтактного каскада следует, что коллекторные токи в режиме малого сигнала суммируются и искажения уменьшаются. Одновре­ менно с созданием напряжения смещения решается вопрос стаби­ лизации тока коллектора. Температурная нестабильность коллек­

навливается на радиаторе совместно с транзисторами. Указанный метод обеспечивает температурную компенсацию медленно изме­ няющихся процессов. Температурные изменения протекают в крис­ талле транзистора в нестационарных режимах, при которых схема стабилизации не успевает отреагировать на возмущения;

диодная компенсация (рис. 4.26,6), принцип которой основан на уменьшении падения напряжения на диоде на —2 мВ при уве­ личении температуры на 1 К, что адекватно изменению смещения U бэ транзистора. При равенстве падений напряжения / к0 =const. Диоды обладают малым динамическим сопротивлением. Схема удовлетворительно работает при изменении температуры от 273 до 303 К;

транзисторная схема стабилизации при изменении температуры (рис. 4.26,в). Такая схема дает лучшее качество стабилизации. Принцип транзисторной стабилизации аналогичен принципу диод­ ной стабилизации. Напряжение смещения при этом рассчитывают по формуле

дифференциальное сопротивление — по формуле г д =Ri/(h.ll3-\-l). С целью точно установить ток смещения оконечного каскада один из резисторов делают подстроечным. Стабилизация / к0 возраста-

Рис. 4.26

ет с использованием в цепи смещения генератора стабильного то­ ка. Широко применяемая параметрическая стабилизация напря­ жения смещения термокомпенсацией требует индивидуальной настройки усилителя, но при этом не достигается полная компен­ сация температурного дрейфа характеристик транзисторов в ши­ роком диапазоне температур. Кроме того, она не учитывает влия­ ния других дестабилизирующих факторов, таких как изменение питающих напряжений, замена полупроводниковых приборов, их старение и т. д.

Значительное повышение надежности и улучшение показателей качества двухтактных усилителей в широких температурных диа-

В и АВ, приводят к появлению в составе сигнала гармонических и комбинационных (интермодуляциоиных) составляющих высших порядков.

Применение глубокой отрицательной обратной связи уменьшает эти искажения, но усилители становятся неустойчивыми к само­ возбуждению. В последнее время появился ряд схемных решений, позволяющих снизить искажения переключения без увеличения потребляемой в режиме класса АВ мощности. Невыключающийся режим транзисторов можно создать соответствующим изменением напряжения смещения при изменении сигнала. Указанный режим называется режимом класса super-A или «экономичный А». Сквоз­ ная и временная диаграммы приведены на рис. 4.25, в, г (здесь ха­ рактеристики с обозначением ЭА относятся к режиму «экономич­ ный А»). Одно из схемных решений приведено на рис. 4.27. Тран­ зисторы VT1 и VT2 работают в режиме класса А с малой выход­ ной мощностью и одновременно выполняют роль предоконечного каскада для мощных транзисторов, работающих в режиме класса В. В режиме малого сигнала транзисторы VT3 и VT4 заперты. Диоды VD1, VD2 обеспечивают отсутствие тока покоя выходного каскада на транзисторах VT3, VT4 при изменении тока, протекаю­ щего через транзисторы VT1, VT2 (в результате их нагрева), в^ 1,5... 2 раза.

Для того чтобы уменьшить возможность возникновения лави­ нообразного саморазогрева, в цепь эмиттеров выходных транзис­ торов включают сопротивление. Поясним условие саморазогрева.

Для защиты от возможного превышения максимально допусти­ мого тока коллектора применяются следующие методы: введение местной обратной связи в виде резистора в цепи эмиттера; огра­ ничение тока воздействием на вход каскада сигнала, уменьшаю­ щего напряжение смещения.

К наиболее простому методу защиты относится диодное огра­ ничение тока. Ограничение достигается при открытии одного из диодов (рис. 4.28). Максимальный выходной ток определяется: / щах = Ф я — U ) / R 1- Для обеспечения защиты необходимо со­ блюдение условия Uбэ < U д .

Для увеличения выходной мощности усилительных устройств при малом напряжении источника питания разработана мостовая схема включения усилителей мощности. Принципиальная схема приведена на рис. 4.29. Входы 1 и 2 возбуждаются в противофазе, выходной ток протекает через транзисторы VT1, VT4 или VT2,

пряжении питания возможно получить в 4 раза большую мощность. К недостаткам схемы следует отнести удвоенное количество элементов, незаземленный вывод нагрузки, нестабильность тока

покоя и положения рабочей точки.

4.3. ФАЗОИНВЕРСНЫЕ КАСКАДЫ

Фазоинверсные каскады (ФИК) предназначены для получения двух равных по значению и противоположных по фазе сигналов. ФИК используются в симметричных каскадах предварительного усиления (например, в осциллографах) и в двухтактных усилите­ лях мощности.

На рис. 4.30 приведена принципиальная схема трансформатор­ ного каскада. Симметричный выход обеспечивается двумя вторич­ ными обмотками трансформаторов с одинаковыми коэффициента­ ми трансформации. Приведенная схема позволяет получить опти­ мальное согласование по сопротивлению выходного каскад;а с каскадом предварительного усиления и максимальную мощность при заданном коэффициенте гармонических искажений.

Широкое применение трансформаторные ФИК находят в транс­ форматорных двухтактных каскадах усилителей мощности.

Недостатки трансформаторных ФИК: частотные и фазовые ис­ кажения, вносимые трансформатором; большие габаритные разме­ ры и масса, высокая стоимость трансформатора; сложность во введении отрицательной обратной связи для стабилизации рабо­ ты усилителя мощности.

ФИК с разделенной нагрузкой. Схему, приведенную на рис. 4.31, можно рассматривать как схему с ОЭ (при снятии сигнала с эмит­ тера каскада). Такой способ изучения схемы позволяет определить характеристики и параметры каскада. Для получения двух равных

= RA, что следует из закона Ома: / КР 3= / ЭР 4. Знак фазы выход­ ного сигнала зависит от фазы входного сигнала и точки определе­ ния выходного напряжения. При снятии сигнала с коллектора фа­ за выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала, так как транзистор включен по схеме с ОЭ. При снятии сигнала с эмит­

тера (транзистор включен по схеме с ОК) сигнал на выходе синфазен с входным сигналом. Потенциалы выходных сигналов оп­ ределяются относительно общего провода. Коэффициент усиления определяется глубокой отрицательной обратной связью по пере­ менному току, вводимой эмиттериым сопротивлением R4y и состав­ ляет приблизительно единицу.

Е

Недостатки каскада: коэффициент усиления по напряжению равен единице, следовательно, предыдущий каскад должен обла­ дать большим выходным сопротивлением; выходное сопротивление каскада верхнего плеча определяется выходным сопротивлением транзистора, включенного по схеме с ОЭ, и составляет от десят­ ков до сотен килоом, а выходное сопротивление нижнего плеча оп­ ределяется включением транзистора по схеме с ОК и составляет от десятков до сотен ом. Для согласования плеч ФИК и выходно­ го каскада необходимо создать разные значения входных сопро­ тивлений плеч выходного каскада, что в общем случае усложнит его построение. Для устранения указанного недостатка в цепь сиг­ нала нижего плеча можно включить дополнительное сопротивле­ ние Rs (на рис. 4.31 сопротивление обозначено пунктиром). Такой способ уменьшает значение выходного тока каскада. В выходном каскаде генератора F3-106 в цепь эмиттера введен стабилитрон, обладающий малым динамическим сопротивлением, что позволя­ ет без потери сигнала увеличить выходное сопротивление нижнего плеча каскада.

Достоинства каскада: малые частотные и фазовые искажения, определяемые глубокой отрицательной обратной связью; простота схемотехнического построения.

ФИК с разделенной нагрузкой находят применение в двухтакт­ ных трансформаторных и бестрансформаторных каскадах усилите­ лей мощности, работающих в режимах классов Л, ЛВ, В.

ФИК на двух транзисторах, включенных по схеме с ОЭ. Прин­ ципиальная схема каскада приведена на рис. 4.32. Использование двух одинаковых каскадов позволяет обеспечить равенство выход-

ных сопротивлений и значительно больший коэффициент усиления по напряжению. Для получения двух равных по значению напряже­ ний во втором каскаде вводится глубокая отрицательная обратная связь по переменному току. В первом каскаде обратная связь ис­ ключается введением шунтирующей емкости Сз. Разные фазы вы­ ходных Сигналов создаются одинарным (для транзистора VT1) и двойным (для транзистора VT2) инвертированием входного сиг­ нала.

ФИК с эмиттерной связью. Принципиальная схема ФИК с эмиттерной связью приведена на рис. 4.33. Транзистор VT1 вклю­ чен но схеме с ОЭ, транзистор VT2 — по схеме с общей базой (ОБ). Схема является дифференциальным каскадом с симметрич­ ным выходом и несимметричным входом. Поясним получение про­ тивофазных сигналов в схеме. Транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, следовательно, фаза выходного сигнала относительно фазы входного сигнала переворачивается на 180°, а так как транзистор VT2 включен по схеме с ОБ и фазу входного сигнала относитель­ но выходного не переворачивает, то выходной сигнал каскада синфазен с входным. Недостаток каскада — это неравенство выход­ ных напряжений, вызванное отличием входных сигналов на вели­ чину Uб9VTI Преимущества ФИК с эмиттерной связью опреде­ ляются большим, чем в каскаде с разделенной нагрузкой, коэффи­ циентом усиления; свойствами дифференциального каскада, а так­ же тем, что приведенный каскад можно представить как каскад с динамической нагрузкой. Одним из достоинств такого каскада яв­ ляется компенсация четных гармоник без введения отрицательной обратной связи.

В качестве примера рассмотрим принципиальную схему вход­ ного каскада осциллографа С1-68 (рис. 4.34). Транзистор VT1 включен для стабилизации токов входных полевых транзисторов VT2 и VT3. Диоды VD5 и VD6 осуществляют температурную ста­ билизацию коллекторного тока транзистора VT1. Потенциометр R 3 позволяет устанавливать нулевой потенциал на входе осцилло­ графа, компенсируя падение напряжения на сопротивлении утеч­ ки R], возникающее в результате прохождения обратного тока зат­ вора. Делитель, состоящий из резистора R2 и терморезистора R4, компенсирует изменения этого напряжения из-за температурного

ФИК на комплементарных транзисторах. Его схема приведена на рис. 4.35. Использованием комплементарной пары транзисторов VT2 , VT3, имеющих разную проводимость, но одинаковые пара­ метры, достигается инвертирование выходного сигнала относи­ тельно входного на 180° Резистор R4 обеспечивает глубокую ООС. Применение схемы обосновано симметрией выходных напряжений и сопротивлений. Схема применяется в выходных каскадах усили­ телей мощности.

Кроме рассмотренных выше каскадов, в качестве фазоинверсных^таюке применяются схемы на операционных усилителях (ко­ торые рассмотрены в разделе 6.2).

Е

4.4. ВХОДНЫЕ КАСКАДЫ

Входными каскадами называются устройства, предназначен­ ные для согласования источника сигнала с усилительным устройст­ вом.

Эти входные устройства в зависимости от их конкретного на­ значения должны обеспечить: требуемое входное сопротивление (низкоомное, высокоомное); нормированную входную емкость; нор­ мированный уровень шумов; нормированные искажения переход­ ной характеристики; нулевое напряжение на входе при отсутствии входного сигнала; согласование по входному напряжению; форми­ рование заданной частотной характеристики.

Входные устройства в зависимости от используемых в них эле­ ментов подразделяются на пассивные и активные. Рассмотрим ос­ новные требования, предъявляемые к входным каскадам и методам их схемных реализаций.

Пассивные входные устройства. К усилителям с пассивными входными устройствами предъявляют требования к согласованию входного сопротивления. К наиболее простым пассивным входным устройствам относятся аттенюаторы. Все аттенюаторы можно раз­ делить на согласующие и аттенюаторы для ослабления сигнала.

Асимметричный Т-тцпа аттенюатор обеспечивает согласование по сопротивлению с минимальными потерями (рис. 4.36). Элементы

аттенюатора выбирают из условия равенства полного сопротивле­ ния согласующего звена полному сопротивлению цепи:

R ^ Z J V I - Z J Z , ; R ,= Z . y i ~ Z J Z , ,

где Z\ — низкое входное сопротивление; Z2 — высокое выходное сопротивление.

Если входное сопротивление Z\ меньше, чем выходное сопро­ тивление Z2, то используется балансная (мостовая) схема.

Балансную схему называют аттенюатором U-типа (рис. 4.37). Согласно этой схеме

Д ,«1/ V l - Z ltZ2; R ,= Z . y \ - Z j Z 2

Балансная схема находит применение при симметричном вхо­ де при частотах до сотен мегагерц.

В качестве согласующего устройства в приборах с широким частотным диапазоном входного сигнала используются компенси­ рованные делители (рис. 4.38), состоящие из резисторов Rl, R2 и включенных параллельно им конденсаторов Cl, С2 .

Более сложным конструктивным элементом согласования яв­ ляется трансформатор. К достоинствам трансформаторного вход­ ного каскада относится возможность согласования асимметрично­ го входного устройства с симметричным каскадом. Недостатки каскада: вносимые трансформатором частотные, фазовые и нели­ нейные искажения; чувствительность к наводкам.

Активные высокоомные входные устройства выполняются на базе схемы эмиттерного и истокового повторителей.

Эмиттерными повторителями называются каскады на транзис­ торах, включенных по схеме с ОК. Схема такого каскада приведе­ на на рис. 4.39.

который может составлять доли процента;

коэффициент усиления по напряжению Ки = «Sэ -/?Bl>tx< 1 (здесь S 3 — крутизна характеристики транзистора).