Параллельная обратная связь по напряжению
Рассмотрим структурную схему усилителя с параллельной обратной связью по напряжению, представленную на рис. 1.15.
В отличие от ранее рассмотренных обратных связей здесь имеется ряд особенностей:
• Входная и выходная цепь имеют общую заземленную точку.
• Параллельная OOС оказывается более простой; для ее реализации достаточно между выходом и входом включить лишь один резистор.
• При параллельной ОС принципиально необходимо наличие сопротивления Rг. При Rг = 0 на входе усилителя будет короткое замыкание напряжения обратной связи.
Коэффициент усиления усилителя, охваченного параллельной OOС:
Если Rг = 0, то Кос=К и в усилителе обратной связи не будет. При выполнении неравенства
получаем, что Кос=Rос/Rг.
Все полученные соотношения для последовательной ООС справедливы и для параллельной ООС. Исключением является ее влияние на входное сопротивление, которое при глубокой ООС определяется величиной сопротивления Rг. Иными словами, параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя.
Вопрос 44 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДАХ.
Для работы любого усилителя необходимо при отсутствии входного сигнала установить соответствующий режим работы транзистора по постоянному току. В зависимости от выбранного режима работы по постоянному току усилительного элемента (транзистор) различают несколько классов усилителей.
Класс «A». Характеризуется линейный режим работы усилительного элемента (усиливает и положительную и отрицательную полуволну входного сигнала). Величина тока покоя - не менее амплитудной величины выходного тока (т.е. является весьма большой). Поэтому на транзисторе рассеивается значительная мощность даже при отсутствии входного сигнала. При подаче сигнала ток через транзистор протекает в течение всего периода. Усилители класса «А» характеризуется малыми нелинейными искажениями, но низким КПД.
Максимальная амплитуда выходного сигнала в данном режиме может достигать значения близкого к половине напряжения источника питания. КПД усилителя этого класса даже теоретически не может превышать 0,5, что объясняется наличием тока в выходной цепи транзистора даже при отсутствии входного сигнала. В связи усилители класса «А» используют лишь в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых, как правило, важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение КПД не играет решающей роли.
Класс «B». Для него характерен режим работы с углом отсечки равным 90° (усиливает только положительную или только отрицательную полуволну входного сигнала). Усилителях класса «В» ток покоя равен нулю и ток через транзистор протекает в течение лишь половины периода входного синусоидального сигнала. Обычно используется в двухтактных схемах усилителей, так как при синусоидальном входом сигнале в однотактном усилителе класса «В» возникает значительно нелинейные искажения. Для уменьшения уровня нелинейных искажений применяются усилители промежуточного класса «АВ», который отличается от «В» наличием небольшого тока покоя в статическом режиме.
При отсутствии входного сигнала мощность, выделяемая на транзисторах усилителя класса «В» равна нулю. Поэтому этот класс предпочтительнее для использования в усилителях средней и большой мощности. В этом режиме значение КПД каскада можно довести до 0,7 и более (при мощности, рассеиваемой в транзисторе, менее 0,25 от максимума полезной мощности в нагрузочном устройстве. Высококачественные двухтактные усилители класса «B», как правило, изготовляют в виде ИС, в едином кристалле полупроводника, что позволяет обеспечивать идентичность параметров транзисторов, усиливающих положительную и отрицательную полуволны входного сигнала. Особенности схемотехнического построения подобных каскадов будут рассмотрены ниже.
Класс «AB».Для него характерен режим работы с большим углом отсечки (>90°, усиливает положительную и часть отрицательной или отрицательную и часть положительной полуволны входного сигнала). Транзисторы усилителя этого класса работают с небольшим током покоя. Такой режим работы нашел широкое применение при построении выходных каскадов усилителей мощности, так как при высоком КПД он обеспечивает получение небольших искажений выходного сигнала.
Класс «C».Для него характерен режим работы с малым углом отсечки (<90°) (усиливается только часть положительной или отрицательной полуволны входного сигнала). В усилителе класса «С» транзистор больше половины периода находится в состоянии отсечки и его ток, протекающий через него, близок к нулю. Этот режим соответствует расположению точки покоя в области отсечки (на транзистор подано запирающее смещение). Он находит широкое применение в мощных резонансных усилителях (например, в радиопередающих устройствах).
Класс «D». Усилительный элемент работает в ключевом режиме, скважность импульсов изменяется в соответствии с текущим значением входного сигнала линейно, не имея дискретных значений. При использовании такого усилителя входной аналоговый сигнал преобразуется в широтно-модулированную последовательность прямоугольных импульсов, которая управляет усилительным ключевым элементом. На выходе такого усилителя последовательность импульсов преобразуется обратно в аналоговый сигнал с помощью фильтра нижних частот.
В усилителе класса «D» усилительный элемент (биполярный транзистор) в установившемся режиме может находиться только в состоянии «включено» (режим насыщения биполярного транзистора) или «выключено» (режим отсечки биполярного транзистора). Такой режим работы транзистора называют ключевым. Для этого класса усилителей характерны малые потери мощности в транзисторах (высокий КПД). Это объясняется тем, что в ключевом режиме работы транзистор рассеивает малую мощность в обоих стационарных состояниях. В режиме отсечки («выключено») на транзисторе высокое напряжение, но ток близок к нулю, а в режиме насыщения («включено») ток большой, но напряжение на транзисторе мало (меньше вольта).
Режим класса D широко используется в устройствах, основным требованием к которым является получение максимального КПД. Как правило, это устройства с автономным питанием, рассчитанные на длительный режим работы
Согласно данному определению, выходное напряжение усилителя, работающего в режиме класса «D», всегда имеет форму прямоугольного импульса и усиление входного сигнала сопряжено с изменением того или иного параметра этого импульса, например его длительности, фазы и т. п.
Класс «T».Усилительный элемент работает в ключевом режиме, скважность и частота изменяются в соответствии с текущим значением входного аналогового сиг- нала линейно, не имея дискретных значений, применяется модуляция с изменением частоты и скважности импульсов. Его можно считать разновидностью клала «D».
В рамках курса ЭЦМ будут рассмотрены принципы работы усилителей класса «A», «AB» и «В».
Вопрос 45 РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО КАСКАДА ПО СХЕМЕ С ОЭ
Рассмотрим простейшую схему усилителя на транзисторе, включенным по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1). Схема содержит два источника питания. Один из них включен в цепь базы транзистора и задает входной базовый ток. Второй источник является источником питания коллекторной цепи.
Так как в цепи коллектора включен резистор RК, то изменение тока коллектора будет определяться не только изменениями тока базы, но и изменениями напряжения Uкэ
Полученное выражение представляет собой уравнение отрезка прямой, или линии нагрузки. Линию нагрузки можно построить по двум точкам на семействе выходных характеристик транзистора (см. рис. 2.2).
Точка А: Uкэ = Ек при Iк = 0,
Точка В:. Iк = Ек / Rк при Uкэ = 0.
На линии нагрузки выбирается рабочая точка 0. Для определения положения рабочей точки необходимо найти координаты пересечения линии нагрузки с выходной характеристикой транзистора, соответствующей определенной величине тока базы.
Рабочая точка с координатами Iок, Uок выбирается исходя из режима, в котором должен работать транзистор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения Um и связанного с ним тока Im. Так если усилительный каскад должен работать в режиме «А», то при малом входом сигнале (несколько милливольт) рабочую точку транзистора выбирает, исходя из соображения экономичности (т.е. в области малых токов), а также получения от каскада требуемого усиления.
При работе с большими сигналами рабочая точка выбирается ближе к середине линии нагрузки так, чтобы обеспечить получение требуемой амплитуды выходного напряжения при допустимых нелинейных искажениях и по возможности высоком КПД. Режим работы транзистора выбирается при этой таким образом, чтобы удовлетворялись неравенства Uок>Um, и Iок> Im. Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности, рассеиваемые на транзисторе, не превышали предельно допустимых значений:
Uо + Um < Uмакс д;
Iо + Im < Iмакс д;
UоIo < Рмакс д
При работе усилителя в режиме «АВ» рабочую точку выбирают в нижней части линии нагрузки. При этом Im < Iмакс д; Um < Uмакс д; где Iмакс д⋅Uмакс д, — предельно допустимые значения тока и напряжения транзистора (справочные данные).
Нагрузкой транзисторного каскада не обязательно будет являться только резистор в цепи коллектора. Иногда нагрузочный резистор может подключаться к коллектору транзистора через разделительный конденсатор (рис. 2.22). Причем нагрузкой в этом случае может быть не только резистор в явном виде, но и входное сопротивление следующего каскада.
При подключении нагрузки к усилителю через разделительный конденсатор, линия нагрузки пойдет круче, так как ее наклон будет определяться величиной сопротивления Rн’=Rн||Rк (см. рис. 2.2).
Выбрав рабочую точку на линии нагрузки — точка 0 на рис.2.2 определяем ток покоя Ioк, напряжение между коллектором и эмиттером — Uoк и величину сопротивления резистора Rк, т.к. наклон линии нагрузки определяется величиной этого сопротивления
tgα = Iк/Rк = –1/Rк
Начальное положение рабочей точки на линии нагрузки» как указывалось выше, определяется величиной базового тока Iбо во входной цепи.
Вопрос 46 РЕЖИМ АВ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
Усилителями мощности называются такие усилители, которые, прежде всего, должны обеспечивать высокую выходную мощность; усиление по напряжению в них является второстепенным фактором. Высокая выходная мощность должна быть получена в усилителях мощности при наименьшем потреблении энергии от источника питания и допустимых уровнях нелинейных и частотных искажений.
Усилитель мощности представляет собой обычно многокаскадный усилитель, состоящий из входного, предоконечного и оконечного каскадов. Технические характеристики усилителя мощности в основном определяются выходным каскадом. Мощный выходной каскад является основным потребителем электрической энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, сравниваемый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада усилителя мощности основное внимание обращают на возможность получения максимального КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.
В усилителе мощности высокая выходная мощность при максимальном КПД может быть получена при определенном согласовании его внутреннего сопротивления с сопротивлением нагрузки. С этой целью в усилителях мощности нередко используют трансформаторы. Правильным выбором коэффициента трансформации всегда можно добиться необходимого согласования и получить в нагрузке максимально возможную мощность.
Переходные искажения, возникающие в усилителе мощности в режиме В, вызывают значительные нелинейные искажения. Как видно из переходной характеристики (см. рис. 2.5) 
вблизи нуля ток в открытом транзисторе достаточно мал, а его внутреннее сопротивление велико. В результате прирост напряжения на нагрузке в этой области оказывается меньше, чем изменение входного сигнала, что и является причиной излома данной характеристики.
При задании небольшого начального тока транзисторов их внутреннее сопротивление уменьшается, переходная характеристика становится более линейной, что существенно уменьшает нелинейные искажения. Такой режим и называется режимом АВ. В этом режиме переходные искажения настолько малы, что с помощью обратной связи легко могут быть уменьшены до пренебрежимо малой величины.
Существуют различные способы задания напряжения смещения в оконечных каскадах. Один из способов задания напряжения смещения показан на рис. 2.9. Для задания малого тока покоя между базами транзисторов VT1 и VT2 в данной схеме приложено постоянное напряжение, около 1,4 В. С этой целью в схему введены диоды VD 1 и VD2. Падение напряжения на диодах VD1 к VD2 составляет примерно U1=U2= 0,7B. При таком напряжении через транзисторы VT1 и VT2 течет небольшой начальный ток. Величина генератора тока I1 выбирается больше максимального базового тока транзисторов VT1 и VT2, чтобы диоды VD1 и VD2 при максимальном входном сигнале не запирались. Источники постоянного тока не следует заменять резисторами, так как в этом случае ток через диоды будет убывать при возрастании входного сигнала.
Основная проблема режима АВ состоит в необходимости поддержания постоянного тока покоя транзисторов VT1 и VT2 в широком диапазоне рабочих температур. При увеличении температуры, как известно, ток покоя увеличивается. Это приводит к дальнейшему росту температуры транзисторов и в результате к их тепловому разрушению. Такой эффект называется положительной термической обратной связью.
Для компенсации положительной связи при повышении температуры транзистора на 1°С необходимо уменьшить напряжение Uэб, примерно на 2,5 мВ. Эту роль дополнительно и выполняют диоды VD1 и VD2, кроме задания напряжения смещения в схеме рис. 2.9. Конечно, такая температурная компенсация оказывается неполной, так как существует значительное различие в температурах перехода транзистора и его корпуса. Поэтому применяются дополнительные меры по стабилизации тока покоя. Для этого в схему усилителя мощности включаются резисторы R1 и R2, которые осуществляют отрицательную обратную связь по току. Эффективность обратной связи увеличивается с возрастанием величины сопротивлений этих резисторов, но при этом уменьшается выходная мощность. По этой причине величина сопротивлений резисторов обратной связи должна выбираться малой по сравнению с сопротивлением нагрузки.
Дополнительная инфа
В однотактных усилителях класса А больший ток смешения обеспечивает открытое состояние транзисторов в течение всего периода существования сигнала. Этому режиму присущ низкий уровень искажений, но одновременно и низкий кпд, который не превышает в лучшем случае 50%. Последний не позволяет создать усилитель класса А с достаточно большой выходной мощностью, приемлемых габаритов и умеренным выделением тепла.
В усилителях класса В смещение или начальный ток уменьшен так, чтобы каждый из комплиментарных транзисторов был открыт последовательно, пропуская положительную и отрицательную части входных сигнала соответственно. Этим достигаются меньший нагрев и более высокий кпд (теоретически максимум 78%).
Вопрос 47 ИДЕАЛЬНЫЙ ОУ
Чтобы определить, какой тип ОУ подходит для конкретного случая его применения, необходимо знать его основные характеристики, а для некоторых случаев необходимо и знание внутренней структуры. Для полного описания прибора необходимо знать более 30 электрических параметров. Однако для упрощения расчета и анализа схем пользуются понятием «идеального» ОУ.
Идеальный ОУ имеет следующие свойства:
• дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU стремится к бесконечности (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);
• входные токи IВХ стремятся к нулю (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);
• выходное сопротивление RВЫХ стремится к нулю (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);
• напряжение смещения нуля UСМ отсутствует, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ UСМ, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);
• коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю, т.е. коэффициент ослабления синфазного сигнала КООС стремится к бесконечности (у реальных ОУ КОСС составляет 60–100 дБ);
• отклик на изменение входных сигналов мгновенный, т.е. выходное напряжение может меняться с бесконечно большой скоростью (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).
Из свойств идеального операционного усилителя следует, что напряжение на его выходе может быть бесконечным и ток, отдаваемый в нагрузку, также может быть бесконечным. Реальные ОУ такими свойствами не обладают. У реальных ОУ максимальное выходное напряжение ограничено напряжением питания (меньше его на величину падения напряжения на выходном каскаде).Так, при напряжении питания +/-15В выходное напряжение не может быть больше +/-13.6В.
Максимальный выходной ток реального ОУ, как правило, не превышает 20-30 мА (в ОУ есть защита по току, аналогичная защите выходных каскадов усилителей мощности).