Глава 5 Принципы построения усилительных схем и работа усилительных элементов в схемах

1. Структурные (функциональные) схемы усилителей, классификация и краткая характеристика усилительных каскадов

Как отмечалось в главах 1 и 2 среди усилительных устройств наибольшее распространение получили апериодические усилители различного назначения, к которым относятся и операционные усилители (ОУ), являющиеся основой элементной базы современной электроники. Их схемотехника, теория и расчет являются основой для всех других типов усилителей (УРЧ, УПЧ и т.д.) и многих устройств РС, РВ и ТВ. Поэтому рассмотрение принципов построения усилительных схем и работы усилительных элементов в схемах целесообразно проводить прежде всего на примерах апериодических усилителей. Современные апериодические усилители являются, как правило, многокаскадными устройствами (см., например, структурную схему трехкаскадного усилителя на рис 2.3).

Типовая структурная (функциональная) схема многокаскадного апериодического усилителя представлена на рис.5.1. Основой этой схемы является общая структурная схема усилителя, приведенная на рис 2.1.

Рис. 5.1

В многокаскадных усилителях различают каскады выходные, предвыходные и предварительные (рис. 5.1)

Выходные каскады предназначены для обеспечения в нагрузке усилителя требуемой мощности (напряжения, тока) сигнала при допустимых нелинейных и линейных (частотных, фазовых или переходных) искажениях. Вопросы обеспечения наибольшего коэффициента усиления мощности (напряжения, тока) сигнала в этих каскадах остро не стоят. УЭ этих каскадов работают в условиях больших уровней сигналов, то есть их статические и динамические характеристики используются полностью (или почти полностью) по току напряжению и мощности. В связи с этим в каскадах остро стоит вопрос обеспечения допустимых нелинейных искажений. В них также важной является проблема обеспечения высокого коэффициента полезного действия (КПД) всего усилителя. В этих каскадах используются более мощные по сравнению с предварительными каскадами УЭ. Анализ и расчет выходных каскадов проводится графоаналитическим методом с использованием вольтамперных характеристик УЭ.

Предварительные каскады вместе с предвыходным каскадом предназначены для усиления сигнала до величины, необходимой для подачи на выходной каскад и обеспечения последним требуемой мощности (напряжения, тока) сигнала в нагрузке. УЭ предварительных каскадов работают в условиях малых уровней сигнала, поэтому они обычно маломощные и их статические и динамические характеристики используются не полностью по току, напряжению и мощности. Основным требованием, предъявляемым к этим каскадам, является обеспечение наибольшего усиления сигнала по мощности (напряжению, току) при допустимых линейных и нелинейных искажениях (последние вследствие малых уровней сигналов в этих каскадах обычно очень малы). Анализ и расчет этих каскадов проводится аналитическим методом с использованием эквивалентных схем УЭ и каскадов по переменному току (по сигналу).

Предвыходной каскад работает в условиях, близких к условиям работы выходного каскада. Поэтому методика его анализа и расчета в основном совпадает с методикой анализа и расчета выходного каскада.

По своему построению каскады могут быть следующих типов: однотактные, дифференциальные, двухтактные, инверсные. В общем виде они представлены на рис.5.2,а,б,в.

Однотактный каскад (рис.5.2,а) содержит один УЭ (или несколько параллельно соединенных УЭ) и имеет несимметричные вход и выход. Один из входных и один из выходных зажимов подключаются к общему проводу усилителя и имеют нулевой потенциал. Потенциалы остальных зажимов на входе и выходе оцениваются относительно общего провода. В однотактном каскаде на вход подаётся одно входное напряжение сигнала и с выхода снимается одно выходное напряжение сигнала. Однотактные каскады в основном используются в качестве предварительных каскадов, реже в качестве предвыходных и выходных каскадов (при сравнительно небольших значениях выходной мощности сигнала ). Основным режимом работы однотактных каскадов является режим «А» (см. далее п.5.4).

а)

U_вых2

U_вых1

в)

Инверсный

каскад

U_вх

Рис. 5.2

Дифференциальный каскад (рис. 5.2,б) представляет собой своеобразную комбинацию однотактных каскадов с объединенными общим проводом и источников питания, работающих в противофазе, токи сигналов в выходных цепях которых имеют противоположные направления. Эти однотактные каскады образуют плечи дифференциального каскада, симметричные относительно общего провода. Таким образом, дифференциальный каскад имеет два УЭ, симметричные вход и выход. На вход дифференциального каскада подаются два симметричных напряжения сигнала и на выходе получается два симметричных напряжения сигнала. Симметрич-ными называются сигналы, которые в любой момент равны по величине и противоположны по знаку относительно общего провода. Дифференциальные каскады работают в режиме «А» (см.п.5.3). Дифференциальные каскады имеют целый ряд достоинств, в том числе очень малый дрейф нуля, и поэтому широко используются в качестве первого (входного) и второго каскадов в усилителях постоянного тока и особенно в ОУ, о чем будет подробно говориться в разделе, посвящённом ОУ.

Двухтактный каскад как и дифференциальный каскад тоже представляет собой комбинацию двух одинаковых однотактных каскадов с объединенным общим проводом и источником питания, образующих плечи двухтактного каскада, симметричные относительно общего провода и работающие в противофазе.

Таким образом, двухтактный каскад тоже имеет два УЭ (или две группы параллельно соединенных УЭ), на входы которых подаются два симметричных напряжения сигнала, и токи сигналов в выходных цепях которых имеют противоположные направления.

Существует ряд разновидностей схем двухтактных каскадов. Из них классическим вариантом является вариант с симметричным входом и симметричным выходом, с двумя входными и двумя выходными симметричными напряжениями сигналов, как и у дифференциального каскада (рис.5.2,б). В других широко распространенных вариантах на выходе используется общая нагрузка (бестрансформаторные и трансформаторные схемы). А в бестрансформаторных вариантах на комплементарных транзисто-рах на входы плечей подается лишь одно входное напряжение сигнала.

Двухтактные каскады очень широко применяются в качестве выходных каскадов усилителей, реже в качестве предвыходных и предварительных каскадов, например в очень мощных усилителях звуковой частоты (трансляционных и модуляционных). Они имеют целый ряд достоинств, которые будут рассмотрены в главе, посвященной схемотехнике и теории выходных каскадов. Двухтактные каскады могут работать в самых разных режимах, но основным режимом работы двухтактных каскадов является режим «В» (см. п. 5.3).

Инверсный (фазоинверсный) каскад (рис.5.2,в) содержит один (или два) УЭ, имеет несимметричный вход и симметричный выход. В инверсном каскаде на вход подается одно входное напряжение сигнала и с выхода снимаются два симметричных выходных напряжения сигнала. Инверсные каскады работают в режиме «А». Инверсный каскад используется в основном в качестве предвыходного каскада усилителя для перехода от несимметричных однотактных предварительных каскадов к симметричному двухактному выходному каскаду, реже в качестве выходного каскада при работе на симметричную нагрузку.

Основой схемотехники усилительных и других активных устройств РС, РВ и ТВ являются усилительные элементы в дискретном и интегральном исполнении. Усилители в зависимости от их назначения могут быть на бипо-

БТ

ПТ

i_И0=i_C0

ПТ

с изолированным

затвором

ЭЛ

Рис. 5.3

лярных и полевых транзисторах (БТ и ПТ) как в дискретном, так и в интегральном (или смешанном) исполнении, а в особых случаях (например, очень мощные трансляционные и модуляционные звуковые усилители) – на электронных лампах(ЭЛ).

На рис.5.3 в порядке напоминания приведены условные обозначения некоторых часто используемых УЭ с указанием полярностей питающих напряжений на их электродах и направлений постоянных токов электродов.

Как видно, УЭ имеет три основных электрода: эмиттирующий (эмиттер, исток, катод), управляющий (база, затвор, управляющая сетка) и управляемый (коллектор, сток, анод). Для усиления сигнала необходимо, чтобы источник сигнала был включен в провод управляющего электрода, а нагрузка в провод управляемого электрода. При наличии трех основных электродов возможны три способа включения УЭ по сигналу:

1. С общим эмиттером – ОЭ ( общим истоком –ОИ, общим катодом – ОК_ат);

2. С общей базой - ОБ (общим затвором – ОЗ, общей сеткой ОС_ет);

3. С общим коллектором – ОК (общим стоком – ОС, общим анодом – ОА).

Общий для входной и выходной цепей электрод УЭ подключается к общему проводу усилителя и имеет нулевой потенциал.

Следует особо подчеркнуть, что способы включения УЭ существенно влияют на такие важные показатели каскадов, как коэффициенты усиления сигнала по напряжению (К), току (К_т) и мощности (К_м), обеспечиваемые УЭ, входное (R_вх) и выходное (R_вых) сопротивления УЭ, нелинейные искажения, линейные искажения, стабильность усиления, собственные помехи, а также определяют способность каскадов инвертировать или неинвертировать усиливаемый сигнал. Всё это будет рассмотрено ниже.

УЭ в каскадах могут работать в режимах «А», «В», «С», «D» и др. Каждый из этих режимов характеризуется режимом работы УЭ по постоянному току ( по току и напряжению питания ), то есть положением начальной рабочей точки (точки покоя) на вольтамперных характеристиках УЭ, и режимом работы УЭ по переменному току ( по сигналу), то есть тем, в течение какой части периода входного сигнала протекает ток в выходной цепи УЭ. Этому дальше будет посвящен отдельный параграф.

Связь УЭ с источником сигнала, друг с другом и с нагрузкой может быть гальванической ( в том числе непосредственной или резисторной ) , резистор-

но-конденсаторной, трансформаторной и др. Название каскадов определяется видом межкаскадной связи, о чем подробно будет говориться дальше.

Цепи питания УЭ, обеспечивающие его режим работы по постоянному току, отличаются большим многообразием. Вместе с тем следует отметить, что при построении цепей питания УЭ в каскаде и в целом в многокаскадном усилителе стремятся обойтись одним источником питания, что часто (но не всегда) удаётся в реальных схемах. Схемотехнике цепей питания посвящен дальше большой раздел.

Анализ и расчет каскадов проводится графоаналитическим и аналитическим методами, сущность которых будет рассмотрена дальше в этой главе. Все эти вопросы составляют основное содержание следующих параграфов данной главы.