Электронные усилители и генераторы

Электронные усилители

Транзисторные усилители

Назначением усилителя как электронного устройства является увеличе­ние мощности сигнала за счет энергии источника питания.

В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усили­тели непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усили­тели сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилите­лями переменного тока; усилители импульсных сигналов – импульсные усили­тели. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или из­бирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.

В электронных устройствах применяют также усилители, преобразую­щие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.

В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

, (14.1)

где , – мощность выходного и входного сигналов соответственно.

Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Со­ответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэф­фициенты усиления напряжения и тока

; . (14.2)

Очевидно, что .

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выход­ного сопротивлений и сопротивлений источника сигнала и на­грузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотно­шения , дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью рабо­тают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сиг­нала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при и .

Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом. При не­достаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из не­скольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточ­ным каскадами.

Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информаци­онные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проход­ной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармони­ческих составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свой­ства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспе­чивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной обратной связью – операционные усилители.

Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).

Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размы­каются и к ним под­ключается нагрузка с сопротивле­нием , а к входным зажимам под­ключается источник сигнала с сопро­тивлением и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом ис­точником питания и источником смещения .

Резистор уменьшает коэф­фициент усиления по току биполяр­ного транзистора и крутизну харак­теристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивле­ния конечны.

Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполяр­ного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиле­ния. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выпол­няются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями (рис. 14.2 а, б).

В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наи­большие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц.

В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение це­пей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный ре­жим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достига­ется путем использования реактивных сопротив­лений – кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конден­саторными (RC-связями) и трансформаторными связями.

Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их от­носительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов. Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному ре­жиму усиления мощности вплоть до согласования транзи­стора с источником сигнала и нагрузкой. Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выпол­няют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).

Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлек­трических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот ( ). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диа­пазоне от до . Так как использование конденсаторов и трансформато­ров в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представ­ляет параллельно-баланс–ная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплече­го моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзи­сторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых тран­зисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических опера­ций.

14.1.2. Усилители на микро­схемах

В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC-свя­зью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилите­лей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц. Особенностью интегральных усилителей являются непосредственные (гальванические) связи между каскадами. Связь с источником сигнала и нагрузкой конденсаторная. Так как конденсаторы большой емкости трудно выполнить в интегральном исполнении, то в микросхе­мах предусматривают специальные выводы для подключения внешних конденса­торов и резисторов. На рис. 14.4 показаны схема интегрального усилителя (обве–­ дена пунктиром) и схема его включения.

Рис. 14.4

При выведенных отрицательных обратных связях коэффициент усиления напряжения в зависимости от модификации усилителей составляет 250…800. При входном сопротивлении = 1,5 кОм и сопротивлении на­грузки = 5 кОм коэффициент усиления мощности может составлять (2…20)·10⁴. Такое усиление позволяет за счет сильных общих отрица­тельных обратных связей обеспечить высокую стабильность коэффициента усиления мощности. При этом наибольшая выходная мощность может достигать 1 мВт.

Усилитель на рис. 14.4 трехкаскадный, причем третий каскад выполнен на основе включения транзисторов Т3 и Т4 по схеме составного транзистора, поэтому в нем возможны общие отрицательные обратные связи.

Операционные усилители

С развитием интегральной технологии производства наиболее распро­страненным элементом для построения электронных устройств стал операционный усилитель. Он представляет собой высококачест­венный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, обладаю­щий высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями.

На принципиальных схемах в самом общем виде опера­ционный усилитель обычно изображают в виде прямоуголь­ника с двумя входными и одним выходным выводами (рис. 14.5). Один из входов усилителя, напряжение на кото­ром усиливается с тем же знаком, называется неинверти­рующим и обозначается «+». Напряжение на другом входе – инвертирующем («–») – усиливается с изменением знака на обратный. Коэффициент усиления в схеме с разомк­нутой обратной связью одинаков для обоих входов операционного усилителя, причем во всем рабочем температурном диапазоне. Этого достигают выполнением всех элементов усилителя, в том числе и входных транзисторов, на одной кремниевой пластине.

Основные параметры схем, выполняемых на операционном усилителе (ОУ), удобно рассматривать, считая его идеальным, с параметрами:

1) коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью бес­конечно большой;

2) напряжение на выходе равно нулю при нулевой разности входных на­пряжений;

3) входное сопротивление бесконечно большое;

4) выходное сопротивление равно нулю;

5) полоса пропускания частот бесконечна (усилитель не вносит за­держки).

Схема операционного усилителя, изображенная на рис. 14.6 называется инвертирующей схемой ОУ. Харак­терной особенностью ее является то, что неинвертирующий вход заземлен, а инвертирующий вход связан с выхо­дом через сопротивление обратной связи Для инвертирующего включения ОУ характерны перемена знака вход­ного сигнала, а также зависимость коэффициента усиления (коэффициента пере­дачи) только от параметров цепи обратной связи. При достаточно большом значе­нии коэффициента усиления, даже в случае его изменения от экземпляра к экзем­пляру ОУ или от температуры, параметры усилителя практически не меняются. Такая схема, называемая инвертирующим повторителем входного сигнала, ис­пользуется как промежуточное звено при связи источника сигнала, имеющего относительно большое внутреннее сопротивление (но меньшее, чем входное со­противление ОУ), с низкоомным приемником.

Определим с учетом знака выходного напряжения значение входного тока

. (14.3)

Из этого следует, что напряжение на инвертирующем входе для данной схемы стремится к нулю. Поэтому здесь инвертирующий вход может рассматри­ваться как точка «кажущейся» земли.

На основе инверти­рующего усилителя выполняю­т сумматоры, у которых с инверти­рующим входом связано не­сколько источников сигналов со своими входными сопро­тивлениями (рис. 14.7).

Поскольку инверти­рующий вход, называемый в данном случае «суммирую­щей точкой», сохраняет потенциал земли, входные токи каждого из источников не зависят друг от друга. Через элемент обратной связи протекает сумма этих токов.

При малом переменном напряжении входного сигнала, соизмеримом с падением напряжения на открытом диоде, для его выпрямления могут приме­няться схемы на основе ОУ. В них практически исключается влияние падения напряжения на диоде. На рис. 14.8 представлена схема однополупериодного выпрямителя, где диод VD1 включен в цепь обратной связи.

Для схемы, показанной на рис. 14.9 а с учетом того, что потенциал точки суммирования токов за счет обратной связи совпадает с потенциалом земли, имеют место следующие зависимости

;

. (14.4)

Таким образом, посредством этой схемы осуществляется интегри­рование входного сигнала с изменением знака. Такой интегратор может применяться, для сглаживания выпрямленного напряжения. Напри­мер, подключив в схеме (рис. 14.8) параллельно резистору конденсатор, получим выпрямитель.

Схему дифференциатора, выполняющего операцию, обратную интегри­рованию, т.е. дифференцирование, можно получить из предыдущей схемы, поменяв местами конденсатор и резистор (рис. 14.9 б). Для этой схемы харак­терны следующие

соотношения

; . (14.5)

В схеме неинвертирующего уси­лителя (рис. 14.10) источник входного сигнала с внутренним сопротивлением связан с неинвертирующим входом, а инвертирующий заземлен через рези­стор и имеет обратную связь через резистор .

Этот усилитель в определенном масштабе воспроизводит на выходе входное напряжение. Достоин­ством его является большое входное и малое внутреннее выходное сопротив­ления. При = 0 усилитель превращается в повторитель входного напряжения.

Для сравнения двух сигналов используют схемы ОУ в режиме компа­ратора. В этих схемах для получения максимальной точности, определяемой чувствительностью схемы, петля обратной связи обычно не замыкается.

На рис. 14.11 показан компаратор, применяемый для сравне­ния разнополярных входных сигналов – сигнала и опорного . Если одно напряжение

превы­шает другое, то выходная часть ОУ за счет большого коэффициента усиления переходит из одного состояния насыщения в другое. Таким образом, компаратор служит для преобразования разности аналоговых входных сигналов в дискретный вы­ходной.

Реальный ОУ отличается от рассмотренного ранее идеального наличием входных токов и выходного сопротивления, несбалансированностью обоих плеч входного дифференциального усилителя и конечным значением коэффи­циента усиления . Поэтому выбор параметров элементов внешних связей ОУ с другими узлами схемы связан с его электрическими параметрами. Для этого в справочной литературе приводится около 20 параметров.

Электронные генераторы

Электронным генератором называют устройство, создающее электриче­ские колебания определенной частоты и формы и использующее для этого энергию источника постоянного тока (напряжения).

По принципу действия генераторы бывают с внешним[2] и внутренним воз­буждением. Генераторы с внутренним возбуждением (автогенераторы) возбуж­даются самостоятельно (без внешнего источника). Основными характеристи­ками генераторов являются форма, частота и амплитуда создаваемых колеба­ний.

По форме колебаний генераторы подразделяются на генераторы синусои­дальных колебаний и генераторы несинусоидальных (релаксационных) колеба­ний.

По частоте колебаний генераторы подразделяются на низкочастотные (от долей герц до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц … 10 мГц) и сверхвысоко­частотные (более 10 мГц).

Важными характеристиками являются мощность выходного сиг­нала, стабильность частоты и коэффициент полезного действия.