Классификация и основные характеристики усилителей

Электронные усилители – это устройства для управления энергией, передаваемой от источника питания в нагрузку (рис. 3.1). В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время - интегральные микросхемы, поскольку усилители на них надежны, экономичны, обладают высоким быстродействием, имеют чрезвычайно малые массу и размеры.

Классификация усилителей может проводится по различным признакам:

- по используемым элементам – ламповые, диодные и транзисторные;

- по усиливаемым сигналам – гармонические и импульсные;

- по числу каскадов – одно-, двух-, многокаскадные;

- по электрическому параметру – усилители тока, напряжения, мощности;

- по диапазону рабочих частот – усилители постоянного тока (УПТ), усилители нижних частот (УНЧ), усилители высоких частот (УВЧ);

- по связи с нагрузкой – с непосредственной (гальванической), емкостной и трансформаторной связью;

- по назначению – телевизионные, радиолокационные, измерительные, операционные.

Основные характеристики усилителей можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным (выходным) характеристикам относятся входная (выходная) емкость, входное (выходное) сопротивление, допустимые значения напряжения (тока); основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления, либо по напряжению , либо по току , либо по мощности . В общем случае коэффициент усиления является комплексной величиной , т.е. от частоты входного сигнала зависит не только амплитуда (АЧХ), но и фаза (ФЧХ) выходного сигнала.

При прохождении сигнала через усилитель его форма может изменяться, т.е. возникать искажения. При этом, если спектральный состав передаваемого сигнала не меняется, искажения называют линейными, в противном случае – нелинейными. Основной причиной линейных (частотных и фазовых) искажений является частотные зависимости модуля (К (w)) и фазы (j (w)) коэффициента усиления .

Появление нелинейных искажений связано с нелинейностью передаточных свойств усилительных элементов, для определения границ которой обычно используют амплитудную характеристику U _вых = f (U _вх). Сами же нелинейные искажения оценивают коэффициентом гармоник , где U ₁ – действующее напряжение первой, а U ₂, U ₃, … – действующие напряжения высших гармоник.

Однокаскадные усилители

Обобщенная схема усилителя, содержащая входную и выходную цепи, управляемый источник и цепь ОС, приведена на рис. 3.2, но в реальных схемах некоторые из этих узлов могут отсутствовать. Рассмотрим сначала однокаскадные усилители, среди которых наибольшее распространение получили повторители напряжения, повторители тока и усилители напряжения.

Повторители напряжения (ПН) – это усилители с коэффициентом передачи по напряжению К _U»1. Их часто используют для усиления сигнала по току, а также в качестве буферных усилителей для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением. ПН могут быть выполнены на транзисторах, электронных лампах и ОУ. Простейшей схемой ПН является эмиттерный повторитель (ЭП) – частный случай ПН на БТ, включенным по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 3.3 а), и эквивалентной схемой для режима малого сигнала (РМС) (рис. 3.3 б), из которой видно, что U _вых = U _вх, т.е. K_U = 1.

Из этой же схемы, полагая I _К = b I _Б, нетрудно получить

                     ;              (3.1)

                                                    (3.2)

          или, с учетом влияния R _Э,

                                           .                                    (3.3)

В реальности, с учетом эквивалентной схемы БТ (рис. 2.8), значение K_U будет несколько меньше единицы,

                                             ,                                       (3.4)

однако значительное усиление по току (b = 50…200), большое входное (сотни кОм) и малое выходное (доли Ома) сопротивления обеспечивают этому ПН неплохие буферные свойства.

Аналогично, в качестве ПН могут использоваться катодный (ПН на ЭВТ, рис. 3.4 а) и истоковый (ПН на ПТУП, рис. 3.4 б) повторители, имеющие практически одинаковую схему замещения (рис. 3.4 в), из которой

                                     ,                               (3.5)

где S – крутизна выходной ВАХ. Следует заметить, что по сравнению с ЭП повторители на ЭВТ и ПТ имеют очень большое R _вх (сотни МОм) и довольно высокое R _вых (500…1000 Ом), что необходимо учитывать при их использовании в качестве буферных каскадов.

Иногда при использовании ЭП усиление по току одного транзистора (b) оказывается недостаточным. В этих случаях вместо одного БТ можно использовать составной транзистор (схему Дарлингтона, рис. 3.5), для которого эмиттерный ток Т₁ равен базовому току Т₂, а общий коэффициент усиления по току равен

                                               ,                                         (3.6)

т.е. значения K_I, R _вх и R _вых ЭП будут определяться теми же формулами (3.1) – (3.3) с заменой b на b _S. Далее, поскольку Т₁ работает в микрорежиме (b ₁< b ₂), то быстродействие схемы будет несколько хуже. Поэтому для ускорения переходных процессов в Т₂ часто параллельно его переходу база–эмиттер включают дополнительное сопротивление R _Д (рис. 3.5).

Повторители тока (ПТ) – это усилители с коэффициентом усиления по току K_I = 1. Простейшая схема повторителя тока на БТ, включенным по схеме с общей базой (ОБ), приведена на рис. 3.6 а, а его эквивалентная схема для РМС – на рис. 3.6 б.

Из схемы замещения видно, что эмиттерный ток и коэффициент усиления ПТ по току определяются согласно

             ,      (3.7)

а коэффициент усиления по напряжению –

                           .                     (3.8)

При этом, с учетом эквивалентной схемы БТ (рис. 2.8),

                                      R _вх» r _Э; R _вых = r _К || R_H.                                 (3.9)

Характеристики ПТ на ЭВТ и полевых транзисторах аналогичны (3.7) – (3.9), т.е. обеспечивают низкое R _вх, высокое R _вых и K_I» 1, а также отсутствие фазового сдвига между U _вх­ ­ (I _вх) и U _вых­ ­ (I _вых).

Усилители напряжения (УН) – могут быть выполнены на БТ, ПТ, электронных лампах, а также на ИС операционных усилителей (ОУ). Простейшая схема однокаскадного усилителя напряжения на БТ, включенным по схеме с общим эмиттером (ОЭ), представлена на рис. 3.7 а, а его эквивалентная схема для РМС – на рис. 3.7 б, из которой (без учета С_Э) следует

, т.е. в предположении I _Б» 0 коэффициент усиления схемы                                                            

                                         ,                                 (3.10)

 или, с учетом внутреннего сопротивления эмиттера r _Э,

                                             .                                     (3.11)

Из (3.11) следует, что при R _Э = 0 К _U будет иметь конечное значение . Следует отметить, что знак минус в формулах (3.10), (3.11) соответствует сдвигу фазы U _вых по сравнению с U _вх на 180°.

Если использовать Т–образную схему замещения БТ (рис. 2.8), то без учета С_Б, С_Э можно получить

               .       (3.12)

  Учет влияния С_Б, С_Э и частотных свойств самого БТ приводит к «завалу» АЧХ усилителя напряжения на нижних и верхних частотах (рис. 3.8), поскольку R _вх и r _Э приобретают комплексный характер, отражающийся на поведении , который на низких частотах приобретает вид

                                      ,                              (3.13)

а на высоких –

                                   .                           (3.14)

Двухкаскадные усилители

Как правило, коэффициент усиления однокаскадных усилителей не превышает нескольких десятков, поэтому в случае необходимости получения больших значений коэффициента усиления используют схемы, построенные путем последовательного соединения нескольких каскадов. Наиболее широкое распространение получили двухкаскадные усилители, в которых присутствуют два усилительных элемента, связанных между собой внешними цепями. Так как каждый усилительный элемент можно включить по меньшей мере тремя способами, то число различных способов соединения может быть достаточно большим (рис. 3.9). Из этих схем чаще всего используются каскодный усилитель (КУ, рис. 3.9 б) и дифференциальный каскад (ДК, рис. 3.9 и).

Каскодный усилитель

Каскодный усилитель состоит из усилителя по схеме с ОЭ и повторителя тока. Схема и малосигнальная модель КУ на БТ приведены на рис. 3.10, где коллекторной нагрузкой усилителя ОЭ на Т ₁ служит транзистор Т ₂, включенный по схеме ОБ, т.е. в режиме ПТ. Сопротивления R ₁, R ₂, R ₃ служат для задания режимов Т ₁, Т ₂ по постоянному току, выходное напряжение снимается с R_K.

Для расчета коэффициента усиления КУ можно использовать его схему замещения (рис. 3.10 б), из которой видно, что ток эмиттера входного каскада на транзисторе T ₁ равен

                               ,                                     

где ; b ₁– коэффициент передачи по току транзистора T ₁.

Далее, ток коллектора транзистора T ₁ равен току эмиттера T ₂, поэтому

                               ,

откуда

                                   .

Поскольку выходное напряжение каскодного усилителя определяется выражением

                           ,                                 

то его коэффициент усиления по напряжению будет равен

                              .                      (3.15)

 

Если b ₁» b ₂ >> 1, то из формулы (3.15) следует

                                         ,                                (3.15¢)

т.е. коэффициент усиления по напряжению получается такой же, что и у однокаскадного усилителя по схеме с ОЭ. Однако КУ имеет ряд преимуществ:

- входной каскад работает в режиме к.з. коллектора через эмиттерный переход T ₁ и емкость C ₂ на общую землю, в связи с чем входное сопротивление R _вх = R _Э (1+ b ₁) по величине совпадает с R _вх ЭП;

- внутренняя ОС нейтрализуется через проходную емкость C _{КБ 2};

- выходное сопротивление сопоставимо с R _вых повторителя тока.

Дифференциальный каскад

Дифференциальный каскад (ДК) – это усилитель, предназначенный для усиления разности двух входных сигналов, которые могут быть синфазными и дифференциальными. Синфазные сигналы подаются на оба входа усилителя одновременно, а дифференциальные прикладываются между входами. Схема ДК, а также его малосигнальные модели для синфазного и дифференциального сигналов представлены на рис. 3.11.

Если подать на оба входа ДК одновременно и синфазный, и дифференциальный сигналы, то

,

откуда                 .                    (3.16)

Из (3.16) следует, что, если к базам T ₁ и T ₂ сигналы приложены в противофазе, то токи транзисторов в резисторе R _Г взаимно компенсируются, что позволяет исключить резистор R _Г из малосигнальной модели для дифференциального сигнала (рис. 3.11 б). Тогда, поскольку U _вых = U _{вых 2} – U _{вых 1},

где , то

,

откуда коэффициент усиления ДК для дифференциального сигнала

                                      .                               (3.17)

В случае синфазного сигнала (рис. 3.11 в) к базам T ₁ и T ₂ приложен один и тот же потенциал и схему можно условно разбить на два изолированных каскада, в эмиттерах которых включены сопротивления R _Э + 2 R _Г. Если эти каскады симметричны, то

                               .                       (3.18)

Видно, что , т.е. синфазный сигнал на дифференциальном выходе отсутствует. В случае несимметричного выхода  для оценки качества ДК используют такой параметр, как коэффициент ослабления синфазного сигнала, определяемый отношением коэффициентов усиления дифференциального и синфазного сигналов, т.е.

                                            (3.19)

(для полностью симметричного выхода K_OCC ® ¥). В справочной литературе величина K_OCC приводится в дБ согласно формуле

                                      ,                              (3.20)

при этом для реальных ДК (ДУ) K_OCC (дБ) = 40…160 дБ.

Как видно из (3.19), величина K_OCC зависит от внутреннего сопротивления источника тока (ИТ) в цепи эмиттеров T ₁, T ₂ ДК, поэтому обычно вместо резистора R _Г используются схемы транзисторных генераторов (рис. 3.12), у которых сопротивление для постоянного тока мало (транзистор Т ₃ открыт), а по переменному току R _Г » r_K, т.е. достаточно велико (»10⁶ Ом). Большой популярностью среди транзисторных ИТ пользуются токовые зеркала (рис. 3.13), особенно в аналоговых ИС, благодаря своей простоте (требуется всего два согласованных транзистора) и высокой стабильности.

 

 

 

Токовое зеркало

В схеме транзисторного ИТ (рис. 3.12) при изменении температурного режима работы транзистора его эмиттерный потенциал возрастает на 2 мВ на каждый градус, что отрицательно сказывается на стабильности выходных параметров нагрузки. Этот температурный эффект можно скомпенсировать уменьшением потенциала базы U _Б на ту же величину, т.е. обеспечить температурный коэффициент (ТК) U _Б порядка –2мВ/°С. Для этого достаточно в цепь смещения базы последовательно с R ₂ включит диод Д (рис. 3.13 а), получив простую схему токового зеркала («отражателя тока»), для которого выходной ток I_H пропорционален задающему току I _зад согласно .

Очень часто, особенно в ИС, для выполнения соотношения U _Д» U _БЭ вместо диодов применяют согласованные транзисторы (рис. 3.13 б), где один из них (Т₁) работает в диодном включении, причем схема работоспособна и при отсутствии эмиттерных резисторов. Однако в этом случае (R _{Э 1}= R _{Э 2}=0) становится заметным влияние эффекта Эрли (зависимости U _БЭ от изменений U _КЭ), когда изменение выходного тока при изменении выходного напряжения может достигать 25% в диапазоне устойчивой работы схемы. Поэтому более предпочтительной является схема с R _{Э 1}= R _{Э 2} (рис. 3.13 б) относительно небольшого номинала (~сотен Ом), в котором изменения напряжения U _КЭ оказывают пренебрежимо малое влияние на выходной ток.

Чисто транзисторный вариант с компенсацией эффекта Эрли предлагает токовое зеркало Уилсона (рис. 3.13 в), где транзисторы Т₁ и Т₂ включены как обычно, однако благодаря транзистору Т₃ потенциал коллектора Т₁ фиксирован и составляет 2 U _БЭ. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Т₁, коллектор которого теперь задает режим работы схемы. Выходной ток определяется транзистором Т₂, а транзистор Т₃ не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал, причем его не обязательно согласовывать с транзисторами Т₁, Т₂. Схема Уилсона обладает очень хорошими характеристиками ИТ – при I _зад = const увеличение выходного I_H составляет порядка 0,05% на вольт.