Дифференциальный усилительный каскад

Дифференциальный усили­тель­ный каскад (рис. 10.4), иначе – дифференциальный усилитель (ДУ), имеет два входа и усиливает разность напряжений, приложенных к ним. Разность входных напряжений называется дифференциальным сигналом. Таким образом, входной сигнал ДУ U_вх.д = U_вх1 – U_вх2 , а его выходным сигналом является разность U_вых = U_вых1 – U_вых2 .

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

При изменении U_вх.д в силу симметрии U_э не меняется, а изменения U_вх.д приводят к симметричному разнополярному изменению U_бэ обоих транзисторов. Таким образом, U_вх.д = ΔU_бэ1 – ΔU_бэ2 = 2 ΔU_бэ1.

Точно так же изменение тока ΔI_к обоих транзисторов одинаково и имеет противоположные знаки, а суммарный ток через R_э не меняется и U_э не меняется. Выходное напряжение U_вых = 2 ΔI_к1∙R_к.

Тогда мы можем определить К_у.д так же, как находили коэффициент усиления в схеме с ОЭ.

Отсюда

Если на оба входа подать одинаковое напряжение (синфазный сигнал U_вх.с), то коллекторные токи меняются одинаково, и выходной синфазный сигнал отсутствует: U_вых.с = U_вых1 – U_вых2 = 0. Сказанное относится к идеальному ДУ, в котором оба транзисторных каскада идеально симметричны. В реальном ДУ из-за разброса параметров резисторов и транзисторов при подаче входного синфазного напряжения U_вх.с = U_вх1 = U_вх2 возникает выходное напряжение U_вых.с ≠ 0. Отношение К_у.с = U_вых.с /U_вх.с называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. Способность ДУ подавлять синфазный сигнал характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_ос.с = К_у.д/К_у.с . У хороших ДУ К_ос.с равен 80…100 дБ.

Для лучшего подавления синфазного сигнала лучше всего было бы, если бы коллекторные токи вообще не менялись при синфазном сигнале. Этого можно достичь, если вместо R_э установить источник тока I_г. При изменении U_вых.с , так как I_г = const, то и I_к1 = I_к2 = I_г /2 = const.

Еще один плюс установки источника тока – повышение R_вх (пояснить).

Как уже сказано, важнейшим параметром усилителя является К_у. Как правило, желательно иметь К_у как можно больше. Как этого достичь? Как следует из выражения для К_у.д., увеличения коэффициента усиления можно достичь, увеличивая сопротивление нагрузки. Но это не рационально, так как возрастает требуемое напряжение питания при том же токе и увеличивается выходное сопротивление каскада.

Решение проблемы заключается в замене резисторной нагрузки на транзисторный источник тока с высоким внутренним сопротивлением. Простейшая структура транзисторной нагрузки показана на рис. 10.5, а. Этот узел называют отражателем тока или токовым зеркалом. Задающим является ток I₁, отраженным – ток I₂. Напряжения база-эмиттер U_бэ транзисторов VT1 и VT2 равны. Если транзисторы выполнены на одном кристалле в едином технологическом процессе, то их параметры практически идентичны, и при достаточно большой величине h_21э токи также будут равны: I₁ = I₂.

Ток I_Г также - формируется транзисторным источником тока. Одна из распространенных схем (рис. 10.5, б) представляет собой модификацию отражателя тока.

ДУ является основным схемотехническим узлом аналоговых ИМС. Важным его достоинством является высокая стабильность при воздействии возмущающих факторов (температура, напряжение питания), так как они действуют на оба плеча одинаково.

Усилители мощности

Общие сведения. Усилители мощности (УМ) предназначены для обеспечения заданной мощности Р_нв нагрузке при заданном сопротивлении нагрузки R_н. Усиление по напряжению здесь является второстепенным фактором. Часто усиление по напряжению мощных каскадов близко к единице, поэтому усиление по мощности определяется в основном коэффициентом усиления по току. Выходное напряжение и выходной ток должны принимать как положительные, так и отрицательные значения.

УМ, будучи выходным каскадом устройства, как правило, потребляет основную долю мощности, расходуемой устройством, и занимает значительную часть объема. Поэтому важнейшим требованием к УМ является высокий КПД. Повышение КПД весьма благоприятно сказывается на габаритных размерах и весе усилителя, которые определяются главным образом габаритными размерами и весом охладителей.

Другим важным требованием является минимальный уровень искажений. Транзисторы УМ работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов, и возникают нелинейные искажения входного сигнала.

Указанные два требования конфликтуют: во многих случаях уменьшение искажений достигается ценой ухудшения КПД.

Однотактные УМ строятся на усилительных элементах, проводящих ток в течение всего периода входного сигнала. Простейшим таким усилителем является эмиттерный повторитель (рис. 1.35). В случае двуполярного сигнала наибольшая трудность состоит в том, что при отрицательном выходном напряжении ток нагрузки ограничен величиной сопротивления R_э. Максимальное отрицательное напряжение на нагрузке образуется, когда ток транзистора равен нулю:

Если выходной сигнал представляет собой синусоидальное напряжение со средним значением, равным нулю, т. е. U_н(t) = U_m sinωt, то величина U_m не может превышать модуля величины U_{н мин}:

(1.26)

Рассчитаем распределение мощности в схеме при произвольной амплитуде синусоидального выходного сигнала и произвольном сопротивлении нагрузки.

Мощность, выделяемая в нагрузке,

(1.27)

Мощность Р_Σ, потребляемая от источника питания, складывается из мощностей, рассеиваемых в нагрузке, на транзисторе и на эмиттерном резисторе. Расчет этих составляющих и вывод выражения для КПД проведем на ПЗ. В результате получим, что при максимальном КПД 1/16 всей мощности, потребляемой от источника питания, передается в нагрузку, 6/16 рассеивается на транзисторе и 9/16 – на эмиттерном резисторе. Т.е. теоретически максимальный КПД равен 6,25%.

В рассмотренной схеме усилителя транзистор в течение всего периода входного сигнала находится в активном режиме. Такой режим работы усилительного элемента называется режимом А. Он обеспечивает минимально возможный уровень нелинейных искажений. Соответственно усилитель с транзисторами, работающими в режима А, называют усилителем класса А.

Для того чтобы обеспечить требуемую амплитуду выходного напряжения, должно быть выбрано соответствующее напряжение питания усилителя U_п. Для согласования нагрузки с выходным каскадом могут применяться трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности и устраняют необходимость привязки напряжения питания к диапазону изменения выходного напряжения. Однако трансформатор является сравнительно дорогим и сложным в изготовлении устройством, ухудшает массогабаритные показатели и частотные характеристики усилителя.

Рассмотрим трансформаторный усилитель мощности, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером (рис. 10.7, а).

Трансформатор T1 предназначен для согласования входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала, трансформатор Т2 – для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя. Элементы R_би VD обеспечивают начальный режим работы транзистора.

При синусоидальном сигнале выходная мощность, приведенная к первичной обмотке трансформатора Т2,

(1.28)

где U_кm и I_кm – амплитудные значения переменных составляющих напряжения на коллекторе и тока коллектора; – приведенное к первичной обмотке трансформатора Т2 сопротивление нагрузки.

Мощность в нагрузке

где η_тр – КПД трансформатора Т2. Обычно η_тр = 0,75…0,95.

Так как транзистор работает всегда в активном режиме, то мощность Р_п, потребляемая усилителем от источника питания, как и в схеме рис. 1.35, не зависит от входного сигнала:

где I_к0 – ток покоя транзистора.

Следовательно, КПД усилителя

Чтобы наиболее полно использовать транзистор, координаты точки покоя выбираются из условия получения максимальных амплитуд напряжения и тока коллектора, т.е. U_кm = U_п и I_кm = I_к0. Поэтому теоретически максимальный КПД равен 0,5. Основная причина повышения КПД по сравнению со схемой рис. 1.35 – исключение потерь на эмиттерном резисторе. Реальное значение КПД 0,3 – 0,35.

Возможно построение трансформаторного УМ и с транзистором, включенным по схеме с ОБ (рис. 1.36, б). Такой каскад имеет значительно меньшее усиление по мощности, чем каскад с общим эмиттером. Преимущества каскада с ОБ – лучшая температурная стабильность и меньший уровень нелинейных искажений.

Двухтактные УМобеспечивают существенно более высокую мощность в нагрузке и больший КПД за счет того, что положительный и отрицательный полупериоды входного сигнала усиливаются разными транзисторами. Таким образом, каждый транзистор проводит ток в течение половины периода входного сигнала. Такой режим работы усилительного элемента называется режимом В. Двухтактные усилители мощности могут быть как бестрансформаторными, так и трансформаторными.

Бестрансформаторный двухтактный УМ класса В может быть выполнен по схеме комплементарного эмиттерного повторителя (рис. 10.8, а). При положительных входных сигналах транзистор VT1 работает как эмиттерный повторитель, а транзистор VT2 заперт; при отрицательных – наоборот. При U_вх = 0 оба транзистора заперты; следовательно, схема имеет малый ток покоя. Весь ток, потребляемый как от положительного, так и от отрицательного источника напряжения, проходит через нагрузку. Поэтому схема обладает существенно более высоким КПД по сравнению с обычным эмиттерным повторителем. Еще одно различие состоит в том, что выходное напряжение при любой нагрузке может практически достигать ± U_п, поскольку разность между входным и выходным напряжениями равна напряжению база-эмиттер открытого транзистора. Таким образом, максимальная мощность на выходе определяется лишь предельным током и максимальной рассеиваемой мощностью используемых транзисторов.

Коэффициент усиления по напряжению практически равен единице, коэффициент усиления по токуравен h_21э.

Расчет КПД проведем на ПЗ. Будет показано, что теоретический предельный КПД

Реальный КПД составляет 0,6 – 0,7.

Усилитель мощности класса В имеет два основных недостатка:

1. При частоте входного сигнала, превышающей граничную частоту используемых транзисторов, переход из открытого состояния в закрытое происходит с запаздыванием. Поэтому возникают интервалы времени, когда оба транзистора открыты одновременно. При этом возникает короткое замыкание источника питания, и через транзисторы протекает большой ток, который может привести к их разрушению. Для защиты транзисторов следует предусмотреть ограничение тока.

2. Из-за нелинейности входной характеристики транзистора в выходном напряжении появляются искажения типа "ступенька" (рис. 10.9), которые тем сильнее, чем меньше амплитуда сигнала. Для уменьшения искажений необходимо задать начальное отпирающее смещение на входах транзисторов. В результате у обоих транзисторов появляется небольшой ток покоя, что несколько ухудшает КПД. Каждый транзистор при этом открыт в течение интервала времени, несколько большего половины периода. Такой режим называется режимом АВ. Чем больше ток покоя, тем меньше искажения; на практике достаточно установить ток покоя на уровне 5 – 10 % максимального тока.

Основная проблема режима АВ состоит в необходимости поддерживать ток покоя неизменным в широком диапазоне рабочих температур. При повышении тем­пературы транзистора ток покоя увеличивается. Это приводит к дальнейшему росту температуры транзистора и в результате к его тепловому разрушению. Такой эффект называется термической положительной обратной связью. Для температурной компенсации в роли источника напряжения смещения могут использоваться диоды (рис. 10.8, б), имеющие вольтамперную характеристику такого же вида, как и переход база-эмиттер транзистора, а также близкую температурную зависимость. Для обеспечения стабильности тока покоя в широком диапазоне температур диоды должны монтироваться на теплоотводе транзисторов. Такая температурная компенсация оказывается неполной, поскольку существует значительное различие в температурах перехода транзистора и его корпуса. Поэтому применяются дополнительные меры по стабилизации тока покоя. Например, в цепи эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 могут быть включены резисторы, реализующие ООС по току. Эффективность обратной связи увеличивается с возрастанием величины сопротивлений этих резисторов. Однако чтобы избежать заметного снижения КПД, величина эмиттерных сопротивлений должна выбираться малой по сравнению с сопротивлением нагрузки.

Эффективная защита выходных транзисторов по току может быть построена с помощью нелинейной ООС по току (показать).

Чтобы диоды не запирались, ток резисторов R_б должен быть даже при максимальном входном сигнале больше максимального базового тока. Это приводит к снижению входного сопротивления усилителя. Поэтому целесообразно взамен R_б использовать источники тока.

Для увеличения коэффициента усиления по току можно использовать составные транзисторы по схеме Дарлингтона, либо на транзисторах разного типа проводимости (рис. 10.10).

В трансформаторных двухтактных УМ транзисторы могут быть включены по схеме либо с общим эмиттером (рис. 10.11, а), либо с общей базой (рис. 10.11, б). Обе схемы могут работать в режиме В (резисторы R1и R2не используются) либо в режиме АВ (резисторы R1и R2обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Для создания режима АВ могут быть использованы диоды взамен R2в схеме рис. 1.41, а и взамен R1 в схеме рис. 1.41, б.

УМ класса D отличаются тем, что оконечные транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. выдают в нагрузку импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительности импульсов и пауз меняются так, чтобы среднее значение напряжения на нагрузке воспроизводило входной сигнал. Как правило, частота импульсов постоянна, а длительность импульсов изменяется в соответствии с входным сигналом. Такое преобразование вида сигнала называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В англоязычной технической литературе используется обозначение PWM – pulse width modulation. Преобразование импульсного сигнала в аналоговый происходит в ФНЧ на выходе усилителя или непосредственно в нагрузке. Частота импульсов должна быть на порядок больше верхней граничной частоты спектра сигнала.

Транзисторы усилителей класса D, регулируя ток через нагрузку, принимают только два состояния: «включено» – падение напряжения на транзисторе близко к нулю и «выключено» – ток через транзистор практически равен нулю. Переход из одного состояния в другое происходит очень быстро. Если транзистор считать идеальным ключом, то в любом состоянии рассеиваемая на нем мощность равна нулю. Поэтому теоретический КПД усилителя равен 100%. Благодаря этому усилители класса D наилучшим образом удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современной портативной технике (плейеры, мобильные телефоны, ноутбуки). Эти усилители применяются и в стационарной технике (телевизоры, персональные компьютеры, домашние или автомобильные стереосистемы, мощная усилительная техника для театров и концертных залов), их широкое распространение обусловлено уменьшением габаритов, веса и цены при сопоставимых параметрах качества с усилителями классов А, В и АВ. Высокий КПД важен также для усилителей большой мощности (единицы кВт), поэтому усилители класса D перспективны для управления частотой вращения электродвигателей.

Принцип работы простейшего УМ класса D показан на рис. 10.12.

Входной сигнал и формируемый генератором G сигнал треугольной формы подаются компаратора (пояснить). Выходной сигнал компаратора, представляющий собой модулированные по длительности импульсы, поступает на выходной ключевой каскад, выполненный на мощных полевых транзисторах разного типа проводимости.

Далее LC-фильтр нижних частот подавляет высокочастотные составляющие спектра, передавая в нагрузку только усиливаемый сигнал.

Пусть треугольное напряжение изменяется в диапазоне от U_m до – U_m. Тогда длительность интервала t₁, на котором выходное напряжение положительно и практически равно U_п, составляет

где Т – период следования импульсов.

Длительность интервала t₂, на котором выходное напряжение равно – U_п, составляет

Тогда среднее напряжение на нагрузке при условии относительно медленного изменения U_вх составит

(1.30)

Таким образом, выходное напряжение после фильтрации пропорционально входному. Для некоторых видов нагрузки, обладающих собственным демпфирующим действием (например, обмотка электродвигателя), наличие фильтра не обязательно.

Выходной ключевой каскад обычно выполняется по мостовой либо полумостовой схеме. На рис. 10.12, а был показан пример полумостовой схемы. Если нагрузка обладает активно-индуктивным сопротивлением, то для возврата реактивной энергии в источник питания транзисторы должны быть зашунтированы диодами.

На рис.10.13 приведен пример мостовой схемы оконечного каскада на полевых транзисторах одного типа проводимости. Транзисторы открываются попарно в зависимости от требуемой полярности выходного напряжения: например, VT1 и VT4 на интервале t₁, VT2 и VT3 на интервале t₂.

Работа ШИМ-усилителей порождает интенсивные помехи на выходе усилителя, а также в других электронных устройствах, куда помехи попадают через общие шины питания, а также за счет наводок от электромагнитных полей. Таким образом, при применении усилителей класса D приходится решать проблему электромагнитной совместимости – обеспечить низкий уровень пульсаций тока, потребляемого усилителем от источников питания, и малые значения dv/dt и di/dt в проводах, соединяющих усилитель с нагрузкой, особенно при удаленной нагрузке.

Для снижения уровня помех в цепях питания рекомендуется подключение конденсаторов в непосредственной близости от выводов питания усилителя. Чтобы уменьшить пульсации выходных напряжений и токов, применяют LC-фильтры нижних частот.

УМ в интегральном исполнении. Промышленность выпускает огромную номенклатуру ИМС УМ, предназначенных главным образом для высококачественного звуковоспроизведения. Ведущими фирмами в этой области являются Texas Instruments и National Semiconductor. Наиболее полная отечественная серия – К174. Усилители выпускают в основном одноканальными (моно) и двухканальными (стерео), выходная мощность нормируется для сопротивления нагрузки 4 и 8 Ом. Как правило, усилители имеют встроенную тепловую защиту и защиту от коротких замыканий на выходе. Для ряда двухканальных усилителей существует возможность одноканального включения по мостовой схеме, что позволяет удвоить напряжение на нагрузке, соответственно мощность увеличивается практически в четыре раза. Многие усилители имеют входы для задания режима Mute (отключение звука), некоторые – для дежурного режима Standby.

В последние годы интенсивно развивается выпуск интегральных усилителей класса D с частотой переключения до 500 кГц и выходной мощностью от единиц до сотен Вт. Усилители большой мощности промышленного назначения выполняются на IGBT-транзисторах, обладающих большой перегрузочной способностью. Именно так устроен усилитель SA08 фирмы Apex Microtechnology. Это гибридная ИМС с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц и с рекордными характеристиками: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

Обратная связь в усилителях

Обратной называется связь между цепями усилителя, посредством которой сигнал передается с выхода усилителя на его вход.

Все виды обратной связи сильно изменяют свойства усилительного устройства, поэтому они широко используются для направленного изменения его параметров.

Различают общую обратную связь (если цепь обратной связи охватывает весь усилитель) и местную обратную связь (если обратная связь охватывает только часть усилителя).

Различают положительную (ПОС) и отрицательную (ООС) обратные связи. В общем случае если сигнал ОС действует согласно с входным, т.е. усиливает действие входного сигнала, то имеет место ПОС, если ослабляет – ООС. Если мы рассматриваем усиление sin-сигнала (общепринятый тестовый сигнал для усилителей) то ОС будет положительной если фаза входного сигнала усилителя и сигнала обратной связи совпадают (или, по крайней мере, фазовый сдвиг между + 90° и – 90° (соотв. отрицательной, если между 90° и 270°).

Определение коэффициента передачи звена, охваченного ОС, изучается в ТАУ. Напомним обобщен­ную структурную схему звена с ОС:

Легко вывести:

Þ

где минус соответствует ПОС, плюс соответствует ООС.

Видно, что введение в усилитель ПОС увеличивает коэффициент усиления. Если β достигает значения 1/К, то знаменатель обращается в нуль, что физически соответствует получению бесконечного коэффициента усиления. При дальнейшем увеличении β К_ОС становится отрицательным, что означает получение на передаточной характеристике усилителя участка с отрицательным наклоном. Передаточная характеристика при этом перестает быть однозначной.

Введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя.

Отметим, что ПОС в усилителях, как правило, не применяется (в редких случаях и очень дозированно), а применяется в основном в генераторах электрических сигналов и некоторых ключевых схемах для обеспечения максимально быстрого переключения.

По способу получения сигнала ОС принято различать ОС по напряжению и току. Сигнал ОС по напряжению должен быть пропорционален выходному напряжению усилителя. Для получения ОС по току сигнал ОС снимают с дополнительного измерительного элемента (датчика тока), включенного последовательно с нагрузкой.

По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя можно выделить последовательную и параллельную ОС.

Для получения последовательной ОС сигнал с выхода усилителя вводится последовательно с источником входного напряжения. В этом случае на входе усилителя выполняется алгебраическое суммирование напряжений.

Для получения параллельной ОС сигнал с выхода усилителя вводится параллельно источнику входного напряжения. В этом случае на входе усилителя происходит алгебраическое суммирование токов.

В соответствии со сказанным, можно выделить четыре основные типа цепей ОС (рис. 10.15):

– последовательная ОС по выходному напряжению;

– последовательная ОС по выходному току;

– параллельная ОС по выходному напряжению;

– параллельная ОС по выходному току.

Каждый из этих типов может осуществлять как ПОС, так и ООС.

В общем случае значение коэффициента передачи цепи ОС может как зависеть, так и не зависеть от частоты сигнала. В соответствии с этим различают частотнозависимую и частотнонезависимую ОС. Применение частотнозависимых цепей ОС позволяет изменять свойства усилительного устройства только в требуемом диапазоне частот.

Все перечисленные особенности раскрывают широкие возмож­ности использования цепей обратной связи для направленного из­менения свойств усилительного устройства.