Лекция 38  типы усилителей и их особенности.

                      10.  Усилители мощности.

Усилители мощности, используемые в предоконечных и оконечных (выходных) каскадах усилителей, предназначены для обеспечения требу-емого уровня тока или напряжения сигнала на заданном сопротивлении нагрузки. Если нагрузка активная (резистор), оконечный каскад должен быть усилителем мощности, а если реактивная (ёмкость, индуктивность) - усилителем напряжения. В оконечных каскадах используются мощные усилительные элементы с большими рабочими токами и большим потреблением энергии. Следовательно, при проектировании оконечных каскадов необходимо стремиться к достижению высокого КПД, так как чем выше КПД, тем меньше тепловые потери и выше экономичность усилителя. Ввиду того что полностью устранить тепловые потери невоз-можно, необходимо предусматривать в оконечных каскадах усилителей мощности теплоотводы, радиаторы и холодильники.

Другой особенностью оконечных каскадов является высокий уровень их входных сигналов, в связи с чем параметры усилительных элементов могут резко меняться. Наибольшее усиление по мощности получают при включении транзисторов по схеме с общим эмиттером. Включение же транзисторов по схеме с общим коллектором обеспечивает хорошее согласование выходного сопротивления каскада с низкоомной нагрузкой.

Оконечные каскады разделяют на однотактные и двухтактные: в первых транзистор работает на линейном участке ВАХ в неэкономич-ном режиме, а вторые обеспечивают большое усиление по мощности и экономичный режим работы.

По принципу межкаскадных связей различают трансформаторные и бестрансформаторные оконечные каскады. Трансформаторные оконеч-ные каскады более экономичны, но имеют большие массу и габаритные размеры.

Однотактные усилители работают на линейном участке выходной характеристики, т.е. в режиме А. Поэтому сигналы в них усиливаются без нелинейных искажений. Недостатком  таких усилителей является малый КПД: в зависимости от конструкции и режима работы он состав-ляет (5÷8)%. Такие каскады используются только для предварительного усиления при малой входной мощности сигнала и называются пред-оконечными каскадами.

Сравнительно высоким КПД при нагрузке с любыми выходными сопротивлениями обладает однотактный транзисторный усилительный каскад с выходным трансформатором, схема которого приведена на рис.13.21. Такой усилительный каскад работает в режиме А за счёт подбора напряжения на базе с помощью резистивного мостика R1, R2.

                          

          Рис. 13.21. Однотактный усилитель мощности.

ООС по постоянному току и низкочастотным составляющим создаётся резисторами и R2. Конденсатор имеет большую ёмкость и служит для улучшения работы каскада по переменным напряжениям. Полоса пропускания усилителя определяется ёмкостью разделительного конденсатора и характеристиками трансформатора. К недостаткам усилителей данного типа относятся большие размеры пассивных элементов (в основном это масса трансформатора) и стоимость.

Следует отметить, что все  однотактные предоконечные усилители могут иметь большие рабочие токи, при этом на их активных усили-тельных элементах и резисторах будут выделяться большие рассеиваемые мощности. При перегреве сопротивление транзистора падает и  при обратном напряжении может быть пробой. Средняя рассеиваемая мощность:

                                              = 1,5                                         (13.39)

Для устранения перегрева транзисторы снабжаются алюминиевыми или медными радиаторами с большой поверхностью, которые рассеиваемую мощность в результате конвекции передают в окружающую воздушную среду внутри корпуса используемой аппаратуры. Корпус аппаратуры имеет специальные щели для обеспечения естественной вентиляции, а также в нём дополнительно устанавливаются вентиляторы.

 

 

           11. Усилители постоянного тока (УПТ).

В усилителях постоянного тока (или усилителях медленно меняющих-ся сигналов) коэффициент усиления при уменьшении частоты сигнала до 0, остаётся таким же, как и на средних частотах, т.е. эти усилители равномерно усиливают его переменную и постоянную составляющие.

УПТ обычно используются в контрольно-измерительных приборах, непрерывно измеряющих и регистрирующих медленно меняющиеся значения физических или технических параметров.

Электрическая схема УПТ прямого усиления на трёх транзисторах приведена на  рис.13.22. Связь между каскадами этого усилителя непосредственная гальваническая через резисторы, сопротивление которых не зависят от частоты сигнала.

Необходимое напряжение смещения на базе первого транзистора обеспечивается с помощью резисторов , и . Здесь можно отметить цепь ООС на резисторах и .

Необходимое напряжение смещения на базе второго транзистора относительно его эмиттера создаётся подбором сопротивления . В схеме резисторы эмиттерных цепей всех транзисторов подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие  >  > . В этом случае напряжение на эмиттере каждого последующего каскада будет нарастать, а коэффициент усиления каждого последующего каскада будет меньше предыдущего.

       

Рис. 13.22. Электрическая схема УПТ на трёх транзисторах.

Делитель и компенсирует постоянную составляющую напряже-ния, поступающего на нагрузку с коллектора транзистора  при отсутствии сигнала на входе усилителя.

На рис.13.23 приведена АЧХ усилителя постоянного тока. Искажения

                    

            Рис. 13.23. АЧХ усилителя постоянного тока.

сигнала на низких и средних частотах усилителя с прямыми резистив-ными связями практически отсутствуют. Верхняя частота АЧХ, опре-деляемая паразитными ёмкостями электрических цепей и переходов база – эмиттер, в зависимости от типа транзисторов может достигать 1 МГц.

Недостатком УПТ с резистивными связями является нестабильность усиления, обусловленная колебаниями питающего напряжения, темпера-турной нестабильностью резисторов и параметров транзисторов. Этот недостаток вызывает так называемый дрейф нуля, который ограничивает чувствительность приборов, использующих УПТ, и приводит к систе-матической приборной ошибке.

Для количественной оценки дрейфа 0 принято его величину перес-читывать к входу усилителя. У обычных ламповых каскадов приведён-ный к входу дрейф достигает десятых долей вольта, у транзисторных каскадов при нормальной температуре дрейф достигает десятков мили-вольт. Специальные меры позволяют уменьшить его на 1 – 3 порядка. Наибольший вклад в величину общего дрейфа многокаскадного УПТ вносят изменения тока первого каскада, так как они подвергаются наибольшему усилению. Поэтому особое внимание уделяют уменьшению дрейфа 0 входного каскада. Обычные способы стабилизации рабочей точки усилителя, основанные на применении ООС по постоянному току, в УПТ не эффективны, потому что они одновременно уменьшают усиление полезного сигнала. Основными средствами уменьшения дрейфа 0 в УПТ с непосредственными связями служат выбор типа и режима усилительного прибора для первого каскада, использование схем ком-пенсации дрейфа и применение балансных схем усилителей.

Компенсация дрейфа возможна только для тех его составляющих, которые обусловлены известными закономерностями. При этом в схему усилителя вводятся элементы или цепи чувствительные к тем же фак-торам, но вызывающие противоположный и равный по величине дрейф тока в выходной цепи. Чаще всего компенсационные схемы применяются для температурной стабилизации начальной рабочей точки биполярного транзистора. Без дополнительной эксперементальной под-гонки  параметров для каждого экземпляра устройства компенсационные схемы уменьшают температурный дрейф в среднем в 2 ÷ 4 раза.

Кроме того, для уменьшения дрейфа 0 требуется использовать высокостабильные детали и источники питания,  термостатирование. В некоторых случаях для компенсации дрейфа 0 применяют модуляцию входного сигнала синусоидальным сигналом определённой частоты с последующей демодуляцией на выходе усилителя. Схема такого усилителя приведена на рис. 13.24. Однако такие схемы усложняют и повышают стоимость аппаратуры. Более дешёвым и простым способом устранения дрейфа 0 оказалось применение специальных схем, например, дифференциальных каскадов.

Электрическая схема дифференциального каскада УПТ приведена на

Рис. 13.24. Структурная схема УПТ с преобразованием сигнала.

рис. 13.25. Этот каскад называют также балансным усилителем. Схема полностью симметрична. Входное напряжение подаётся на базы тран-зисторов в противофазе. При  = 0 коллекторные токи и напряжения транзисторов одинаковы, поэтому выходное напряжение равно нулю. Любая нестабильность температуры, напряжения питания, номиналов элементов схемы вызывает одинаковые изменения на коллекторах транзисторов, и выходное напряжение остаётся без изменений.

                        

Рис. 13.25. Электрическая схема дифференциального каскада УПТ.

При изменении входного напряжения один из транзисторов начинает открываться, а другой закрываться. При этом напряжение на коллекторе, наоборот, у первого – падает, а у второго – нарастает, и на выходе появляется разность напряжений, строго пропорциональная входному сигналу. Это разностное напряжение называют дифференциальным.

Следует отметить, что полной компенсации дрейфа 0 трудно достичь в схемах, выполненных на дискретных элементах, так как параметры однотипных транзисторов и резисторов неодинаковы.

Гораздо лучше компенсация дрейфа 0 обеспечивается в ИМС, выполняемых на одном кристалле при строгой подгонке параметров активных элементов. На основе дифференциальных каскадов были созданы микросхемы операционных усилителей, которые и являются УПТ с малым дрейфом 0 и широкой полосой пропускания.