2.3. Пример моделирования усилителя мощности

На рис. 2.7. приведена схема усилителя мощности, соответствующая схеме на рис. 2.5.

Программа моделирования позволяет фиксировать токи, напряжения в любой толчке схемы, получить осциллограммы, характеристики отдельных каскадов и всего усилителя в целом.

На рис. 2.8. представлен входной сигнал, поданный на усилитель. На рис. 2.9. выходной сигнал первого, промежуточного каскада, построенного на основе операционного усилителя.

Рис. 2.7. Модель усилителя мощности

Рис. 2.8. Входной сигнал

Рис. 2.9. Выходной сигнал 1-го каскада

На рис. 2.10. показана АЧХ 1-го каскада. На рис. 2.11. показан выходной сигнал всего усилителя. Наконец, на рис. 2.12. показана АЧХ всего усилителя.

Рис. 2.10. АЧХ 1-го каскада

Рис. 2.11. Выходной сигнал усилителя

Рис. 2.12. АЧХ усилителя

3. Усилители постоянного тока

Отличием усилителя постоянного тока (УПТ) от усилителя переменного тока является его способность усиливать без искажения сигналы инфранизких частот, вплоть до нулевой.

3.1. Краткие теоретические сведения

При построении УПТ исключаются разделительные конденсаторы, то есть осуществляется непосредственная связь между каскадами. Использование непосредственной связи между каскадами обуславливает возникновение двух проблем.

Во-первых, непостоянство "нулевого" уровня выходного напряжения или тока, который подвержен самопроизвольному изменению − дрейфу нуля. Дрейф нуля может быть вызван нестабильностью напряжения источников питания, изменениями параметров активных и пассивных элементов вследствие изменения температуры, физического старения и т.д. Эти самопроизвольные изменения воспринимаются как полезный сигнал и приводят к большим ошибкам. Особенно нужно уменьшить дрейф нуля первого каскада, в котором при малых уровнях входного сигнала напряжение дрейфа становится сравнимым с усиливаемым сигналом. Различают временной (мВ/ч) и температурный (мкВ/^°С) дрейфы.

Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение дифференциальных усилительных каскадов. Дифференциальный усилитель (ДУ) – это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, используемый для усиления разности напряжений двух входных сигналов. ДУ используются в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне помех. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, звуковые сигналы, радиотехнические сигналы, передаваемые по двухпроводному кабелю (двухпроводный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие. ДУ на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфазная помеха не очень велика.

ДУ широко используется в качестве первого каскада операционных усилителей. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока, так как симметричная схема ДУ, по сути своей, приспособлена для компенсации температурного дрейфа.

Основная схема ДУ приведена на рис. 3.1. В общую эмиттерную цепь ДУ включен источник стабильного тока, который обеспечивает постоянство токов:

.

Ток не должен зависеть от уровня сигнала на входе ДУ (даже при коротком замыкании в цепи нагрузки этого генератора ток должен оставаться неизменным).

Рассмотрим принцип действия ДУ и его усилительные параметры на примере простейшей биполярной схемы. Предположим, что оба транзистора ДУ имеют строго одинаковые характеристики и параметры, и . При этом условии, если входные сигналы , то напряжение между выходами ДУ:

Рис. 3.1. Принципиальная схема ДУ

Для идеального симметричного ДУ в режиме баланса эмиттерный ток делится поровну между двумя усилительными транзисторами. Если пренебречь базовыми токами, можно считать, что коллекторные токи транзисторов одинаковы и равны :

.

Это соотношение не изменится, если оба входных напряжения получат приращения на одну и ту же величину (синфазный сигнал). Так как в этом режиме коллекторные токи остаются равными друг другу, то будет постоянна и разность выходных напряжений. Отсюда следует, что коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

В идеальном ДУ синфазный сигнал на его входах не вызывает появление дифференциального выходного сигнала. Однако в реальной схеме наблюдается небольшой дифференциальный выходной сигнал. Он обусловлен неполной идентичностью характеристик транзисторов, разницей в значениях коллекторных сопротивлений и и внутренних сопротивлений источников, подключенных к входам каскада.

Напряжение на коллекторе каждого транзистора, называемое напряжением баланса, относительно нулевой шины:

.

Если , то изменяется распределение токов в ДУ: увеличивается, а - уменьшается. Их сумма при этом остается равной . Поэтому . Таким образом, разность входных напряжений, в отличие от синфазного управления, вызывает изменение выходного напряжения. При этом:

; .

Полный дифференциальный выходной сигнал между выходами ДУ:

.

Изменение выходных сигналов прекращается, когда весь ток переключится в транзистор и максимальная разность сигналов между выходами составит:

,

а напряжение на коллекторе транзистора имеет минимальный уровень .

Таким образом, разность входных напряжений в отличие от синфазного управления вызывает изменение выходного напряжения.

Качество ДУ характеризуется отношением , показывающим способность ДУ различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения.

Наиболее часто используется логарифмическая форма этого параметра: относительное ослабление синфазного сигнала (ООСС):

.

Для современных полупроводниковых ДУ значение ООСС находится в пределах от –60 до –100 дБ.

На рис. 3.2. представлен типовой вариант схемы УПТ, где в качестве первого каскада улучшенная схема ДУ. Эта схема представляет собой несбалансированный мост, два плеча которого образованы транзисторами и , а два других плеча − транзисторами и . Выходное напряжение снимается с коллектора транзистора (несимметричный выход). Если действуют дестабилизирующие факторы (один и тот же сигнал на оба входа − синфазный сигнал), то в случае идеальной симметрии плеч баланс моста не нарушается, выходное напряжение не появляется, т.е. напряжение дрейфа равно нулю. В случае же несимметричного выхода появляется небольшой выходной сигнал (коэффициент передачи синфазной составляющей ). Чем больше сопротивление в цепи эмиттера, тем меньше . Если в цепи эмиттера включен источник тока (большое внутреннее сопротивление), то во много раз меньше. Дифференциальные (разностные) входные сигналы разбалансируют мост и на выходе появится сигнал, пропорциональный разности входных сигналов.

Второй проблемой является согласование уровней при построении многокаскадных усилителей (каскадировании). Она разрешается применением каскадов согласования уровня и двуполярного питания.