Переходной характеристикой называется зависимость мгновенного значения выходной величины от времени при импульсном изменении входной величины (см. рис. 2.3).
Динамический диапазон определяется отношением
Как правило, во всех усилителях стремятся к созданию большого входного сопротивления и малого выходного сопротивления. Это позволяет не шунтировать входной сигнал со стороны генератора и уменьшать влияние нагрузки на параметры усилителя.
Режимы работы усилителя делятся на классы: А, В, АВ, С и Д — классы усиления сигналов.
При работе усилителя в режиме А (рис. 8.5, а) переменный ток протекает в выходной цепи в течение всего периода. От источника питания непрерывно, независимо от уровня входного сигнала, потребляется одна и та же мощность, пропорциональная току в рабочей точке. КПД усилителя при этом низкий.
Режим В (рис. 8.5, б) характеризуется тем, что ток покоя равен нулю. Угол отсечки равен 180°. Ток протекает в течение полупериода. Усилитель имеет высокий КПД. Применяется в силовых устройствах. Имеет большие нелинейные искажения.
В режиме АВ (рис. 8.5, в) угол отсечки от 180 до 360°. КПД по сравнению с режимом В выше, а нелинейные искажения меньше.
В режиме С (рис. 8.5, г) угол отсечки меньше 180°, появляются большие нелинейные искажения. Усилитель применяется в умножителях частоты.
В режиме Д (рис. 8.5, д) усилитель преобразует гармонический сигнал в импульсный.
8.3. Обратные связи в усилителях
Обратной связью называется передача сигнала с выхода на вход. Если за счет обратной связи значение сигнала на выходе увеличивается, обратная связь называется положительной. Если выходной сигнал понижается, обратная связь называется отрицательной. Обратные связи могут производиться по напряжению и току.
На рис. 8.6, а, б показаны обратные связи по напряжению, а на рис. 8.6, в, г — по току. Обратная связь по напряжению перестает действовать при коротком замыкании на выходе. Обратная связь по току перестает действовать при холостом ходе на выходе.
Во всех схемах с обратной связью коэффициент передачи усилителя
где U 1 U 2 — напряжения соответственно на входе и выходе усилителя.
Коэффициент обратной связи усилителя определяется отношением
где Uo . c — напряжение обратной связи
Для схем, показанных на рис. 8.6, а, б, имеем:
где U 3 — напряжение на входе усилителя при наличии напряжения обратной связи Uo . c .
Тогда коэффициент усиления каскада (коэффициент передачи)
где или K = U 2/U 3 — коэффициент усиления без обратной связи.
Отрицательная обратная связь существенно влияет на технические параметры усилителя. При наличии этой связи: уменьшаются нелинейные, частотные, фазовые искажения и шумы; повышается стабильность коэффициента передачи; уменьшается выходное и увеличивается входное сопротивления.
К недостаткам отрицательной обратной связи следует отнести уменьшение коэффициента усиления.
Положительная обратная связь применяется в генераторах для возбуждения незатухающих гармонических колебаний. Эта связь определяет стабильность частоты сигнала генератора.
Глава 9
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ
9.1. Усилители на биполярном транзисторе
Функциональная схема усилителя на биполярном транзисторе приведена на рис. 9.1, а. Резисторы R 1 и R 2 задают режим покоя каскада, при котором в транзисторе протекают только постоянные токи покоя базы IБп, коллектора IКп и эмиттера IЭп.
На базе, коллекторе и эмиттере действуют постоянные напряжения покоя UБп, UKп, UЭп.
Конденсаторы С1 и С2 — разделительные. Конденсатор С1 препятствует протеканию постоянного тока с делителя R 1 , R 2 . Конденсатор С2 препятствует прохождению постоянного напряжения на резистор RH . На этом резисторе действует переменная составляющая коллекторного напряжения. Резистор R Э определяет ток покоя через транзистор при заданном напряжении UБп. Этот резистор для переменного сигнала является отрицательной обратной связью, предназначенной для стабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры. При увеличении (например, из-за роста температуры) тока коллектора покоя IКп возрастают ток эмиттера покоя IЭп и падение напряжения на резисторе R Э , поскольку UЭп = IЭпRЭ.
Так как напряжение UБп фиксировано делителем R 1 R 2 , то с увеличением UЭп происходит закрывание транзистора. Это ведет к уменьшению коллекторного тока. Происходит автоматическая балансировка режима работы транзистора в режиме покоя.
Введение резистора RЭ изменяет работу каскада и при усилении переменного входного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на резисторе падение напряжения UЭ = TЭRЭ, которое уменьшает усиливаемое напряжение. Коэффициент усиления каскада
Для исключения резистора RЭ для протекания переменного тока его необходимо шунтировать конденсатором СЭ достаточно большой емкости. При наличии конденсатора общее сопротивление в цепи эмиттера
где Xc = 1/jωС.
Расчет параметров каскада в режиме покоя по постоянному току проводят графоаналитическим методом с использованием статических входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) (рис. 9.1, б, в).
Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме усиления сопротивление нагрузки RH подключается параллельно сопротивлению RK .
Общее сопротивление в цепи коллектора RK 0 = RKRH /( RK + RH ). При этом следует учитывать, что ХС2 = 0. Поскольку RK > RK 0 , то нагрузочная прямая проходит по линии СД.
Рассмотренный каскад дает ограниченное усиление из-за того, что сопротивление RK определяет рабочую точку на выходных характеристиках по постоянному току с учетом допустимых нелинейных искажений. С увеличением RK нелинейные искажения увеличиваются. Чтобы исключить эту зависимость, применяют динамическую коллекторную нагрузку.
На рис. 9.2 показана схема усилителя с динамической коллекторной нагрузкой. В схеме переменный (на рис. 9.1, а) сигнал в цепи коллектора создает падение напряжения на резисторе нагрузки. Через резистор RK проходит ток Iк = Uk/Rk , т.е. чем больше сопротивление резистора RK , тем меньше ток Iк. При динамической нагрузке усилителя переменный сигнал коллектора транзистора VT2 подается на базу транзистора VT1. При этом на коллекторах транзисторов VT2 и VT1 будет одинаковое переменное напряжение UK .
Следовательно, на выводах сопротивления нагрузки R4 напряжение равно UK , т.е. переменный ток через резистор R4 равен нулю. Значит, динамическое сопротивление нагрузки стремится к бесконечности. В таком каскаде можно получить усиление по напряжению более 500.
9.2. Усилитель напряжения на полевом транзисторе
Функциональная схема этого усилителя приведена на рис. 9.3, а. Эквивалентная электрическая схема показана на рис. 9.3, б. Емкость C0 является здесь входной емкостью второго каскада.
По эквивалентной схеме можно рассматривать работу усилителя на различных частотах. В средней части частотного диапазона (от 200 до 3000 Гц) сопротивление емкости C0 достаточно большое и она не шунтирует сопротивления Rc и R 3 , поэтому общее сопротивление в стоке транзистора
Коэффициент усиления каскада
где Iс _ ток в стоке транзистора; μ — статический коэффициент усиления полевого транзистора, μ = ΔUстока,истока/ΔUзатвора; α = Ri / R 1 — коэффициент нагрузки.
При Ri >> R3, R3 >> Rc можно считать R 1/Rc >> (1 + Ri / R3), тогда коэффициент усиления в средней части частотного диапазона
где S — крутизна характеристики полевого транзистора.
Для низких частот ωн (меньше 200 Гц) сопротивление конденсатора Сс становится существенным, поэтому на резисторе R3 падает только часть усиленного сигнала. Коэффициент усиления на этих частотах
На высоких частотах ωв (свыше 3 кГц) начинает сказываться сопротивление конденсатора Со. Общее сопротивление нагрузки в цепи стока транзистора в этом случае
Коэффициент усиления на этих частотах
Частотная характеристика усилителя приведена на рис. 9.3, в.
Схема усилителя с динамической нагрузкой показана на рис. 9.4. В этой схеме коэффициент усиления достигает нескольких сотен.
Переменный сигнал со стока транзистора VT 2 подается в затвор транзистора VT 1. При этом на одном выводе резистора R 1 действует сигнал U вых и на другом выводе действует аналогичный сигнал, т.е. падение напряжения на резисторе ^ отсутствует. Следовательно, через него протекает нулевой ток. Это признак того, что резистор имеет бесконечное сопротивление для переменного сигнала.
В схеме рис. 9.5 полевой транзистор VT 1 выступает в роли генератора тока. Ток стока полевого транзистора направлен в базу биполярного транзистора. В этой схеме входное напряжение преобразуется в полевом транзисторе в ток, который усиливается биполярным транзистором. Схема может обеспечить большой коэффициент усиления по току. Ограничение коэффициента усиления в этой схеме происходит за счет того, что полевой транзистор работает при малых токах стока, где крутизна характеристики значительно отличается от справочных данных на полевой транзистор. В результате общий коэффициент усиления не превышает 100. Рассмотренная схема имеет очень важное преимущество по сравнению с другими. Колебания питающего напряжения и помехи, существующие в цепях питания, не влияют на входной и выходной сигналы усилителя, так как они развязаны с питающим источником большим выходным сопротивлением биполярного транзистора.
9.3. Операционные усилители
Операционные усилители (ОУ) нашли применение в электронной аппаратуре за счет своей универсальности и многофункциональности. Они представляют собой специальные усилители постоянного тока. Электрические схемы ОУ весьма разнообразны. ОУ могут быть с одним или двумя входами. Различают также ОУ с параметрической компенсацией дрейфа нуля, преобразованием сигнала и автоматической коррекцией дрейфа нуля. В усилителях с непосредственными связями компенсация дрейфа нуля осуществляется за счет построения входных каскадов по симметричной балансной или дифференциальной схемам. В усилителях с преобразованием сигнала для усиления постоянной составляющей используется импульсная стабилизация типа модуляция-усиление—демодуляция.