Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Дифференциальный усилитель

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к тому, что выходное напряжение u_{вых.диф} очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только u_вх.диф.

Дифференциальное входное напряжение определяется выражением

.

Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала К_диф описывается выражением

.

Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина r_э уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i₀ коэффициент К_диф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.

Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией

(усилитель типа МДМ)

В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно изменяющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный повышенный частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц.

Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Структура усилителя Рис. 11.3. Временные диаграммы

с МДМ напряжений в усилителе

Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой f_оп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение u_м с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор – фазочувствительный выпрямитель – преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.

Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющих работу усилителя, приведены на рис. 11.3.

Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах.

Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, например, в медицинской электронике.

УСЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

(мощные выходные усилители)

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_н при заданном сопротивлении нагрузки R_н. Усилитель мощности является примером устройства силовой электроники. Основная цель таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме классов В или АВ.

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые – в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки P_н при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

.

Тогда максимально возможная нагрузки Р_н.макс определится выражением

,

откуда

.

Для согласования усилителя и нагрузки часто используют трансформатор (рис. 11.4). Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через u_вых и R_вых – соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.

Рис. 11.4. Трансформатор согласования усилителя и нагрузки

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 11.5. В ней через R'_н обозначено приведенное сопротивление нагрузки

,

где n – коэффициент трансформации ( ).

Рис. 11.5. Эквивалентная схема согласования усилителя с нагрузкой

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при R_вых=R'_н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

.