Электронные выпрямители. Простейший УНЧ на биполярном транзисторе

Лекция № 15. У С И Л И Т Е Л И. 15 Простейший УНЧ на биполярном транзисторе. 15.1. Схема. Назначение ее элементов. Принцип работы. 15.2.Тепературная стабилизация работы усилителей. 15.3. Многокаскадные усилители. 15.4. Усилители мощности. 15.5.Усилители постоянного тока. 15.6. Операционные усилители. Электронным усилителем называется устройство, в котором входной сигнал (напряжение, ток) управляет более мощным потоком энергии, поступающим от источника питания к нагрузке. Структурная схема усилителя показана на рис.1. Электрические колебания поступают от источника сигнала 1 на вход усилителя 2, к выходу которого присоединена нагрузка 3; энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания 4. Входные электрические сигналы могут быть синусоидальной, прямоугольной, треугольной или иной формы. Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, магнитофонные и перфорационные ленты и диски с соответствующими преобразовательными устройствами, различные преобразователи неэлектрических параметров в электрические. Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели, реле, различные блоки ЭВМ, АСУ, АСУТП и другие устройства. Усилители являются неотъемлемой составной частью любого радиотехнического устройства, применяемого в измерительной технике, в системах автоматического управления и связи, в научно-исследовательской аппаратуре. Классификация усилителей. Усилители подразделяются по многим признакам. Отметим некоторые основные признаки: 1. По диапазону частот усиливаемых сигналов различают: усилители низкой частоты (УНЧ), работающие в диапазоне звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц; усилители высокой частоты (УВЧ) от 30 кГц до 30 МГц. Широкополосные или видеоусилители применяются в телевизорах и занимают полосу частот от 50 Гц до 8 МГц. Усилители сигналов очень малой частоты, начиная с нулевой, называют усилителями постоянного тока. Различают еще импульсные усилители. 2. По роду усиливаемой величины различают усилители напряжения (Rвн<> Rвх), мощности (Rвн = Rвх), где Rвн – сопротивление источника входного сигнала, Rвх – входное сопротивление усилителя. Для УНЧ обычно Rвх < Rвых. 3. По связи между каскадами различают усилители с RC–связью, LC–связью, трансформаторной, резонансной и гальванической связями. Возможны три способа включения транзистора в усилительном каскаде: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК). наибольшее распространение получил усилительный каскад по схеме с ОЭ, так как он усиливает и ток, и напряжение, и мощность. Простейшая схема усилительного каскада с общим эмиттером, работающим в классе А, когда транзистор усиливает и положительную, и отрицательную полуволну переменного входного сигнала, дана на рис. 2. Известно, что транзистор структуры п–р–п открыт при положительной полярности потенциала базы и закрыт при отрицательной. Для транзистора структуры р–п–р наоборот. Если в схеме усилителя резистор Rб будет отсутствовать (R = ∞), то подавая на вход усилителя (базу–эмиттер) переменный сигнал, в коллекторной цепи будет усиленный сигнал одной полярности, как в однополупериодном выпрямителе. Чтобы усиливать обе полуволны переменного входного сигнала, в цепь базы транзистора включают резистор Rб, через который от источника ЕК и базу–эмиттер транзистора течет постоянный ток I Б0 . Усилитель работает следующим образом: При отсутствии входного сигнала через транзистор от источника ЕК текут постоянные токи IБ0 и коллектора IК0. Транзистор открыт, но не полностью. При подаче переменного входного сигнала в точке а происходит сложение двух токов, переменного iВХ ( рис. 3 а) и постоянного IБ0 ( рис. 3 б), в результате через базу транзистора течет пульсирующий ток одной полярности iБ0 = iВХ + IБ0 (рис. 3 в). В соответствии с формой тока базы в коллекторной цепи будет течь такой же ток коллектора, но усиленный транзистором: iК=IК+ΔIК(t), где ΔIК(t) переменная составляющая тока коллектора. С помощью резистора RК пульсирующий ток коллектора преобразуется в такое же по форме напряжение. Причём, чем больше RК тем больше напряжение, тем эффективнее преобразование. Переменное напряжение на выходе усилителя получают с помощью конденсатора С2, который выделяет переменную составляющую усиленного напряжения и не пропускает через нагрузку постоянную составляющую коллекторного напряжения. При положительной полуволне входного напряжения ток коллектора растёт, а потенциал коллектора уменьшается, в связи с чем на выходе формируется отрицательная полуволна напряжения и наоборот. Таким образом, выходной и входной сигнал находятся в противофазе или сдвинуты на 180 градусов. Выходное напряжение и входной ток связаны следующим выражением: uвых=-h21+ΔIБ+RК, где h21=ΔIК/ΔIБ коэффициент передачи транзистора по току. Знак минус показывает что входное напряжение сдвинуто относительно входного на 1800. Конденсатор CI необходим для того, чтобы постоянный ток от источника ЕК не протекал через источник входного переменного сигнала. Правильно построенный усилительный каскад должен давать максимальное усиление при минимальных искажениях. При этом наиболее ответственным моментом является выбор рабочей точки каскада, которая определяет электрическое состояние усилительного элемента по постоянному току до поступления входного сигнала. Этот режим называется режимом покоя. Положение рабочей точки каскада на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, определяют следующим образом. На выходных характеристиках транзистора строят характеристику элемента нагрузки RК каскада. Эта характеристика линейная и может быть построена по двум точкам. Если сопротивление нагрузки RК и напряжение источника ЕК заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С и Д, координаты которых могут быть получены из уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа для коллекторной цепи: ЕК=UКЭ+ IК · RК. Откуда UКЭ =ЕК - IК · RК. Это уравнение называют уравнением линии нагрузки. Из него следует: если IК = 0, то UКЭ = ЕК (координата точки Д) и если UКЭ=0, то IК = ЕК / RК (координата точки С). Выбираем рабочий участок линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии СД с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ линии нагрузки. Рабочая точка О при синусоидальном входном сигнале должна находиться в середине этого участка. Проекция отрезка АО на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока ImК, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения Um. Рабочая точка О определяет значения тока покоя коллектора IК0 и напряжения на коллекторе UКЭ0. Точка О определяет также ток покоя базы IБ0, а следовательно, и положение рабочей точки О на входной характеристике (рис. 4 б). Точкам А и В выходных характеристик соответствуют точки А’ и В’ на входной характеристике. Проекция отрезка ОА на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала UmВХ, при которой будет обеспечен режим минимальных искажений. Для абсолютного большинства схем можно пользоваться следующими расчетными соотношениями: UК0 = EК / 2 ; IК = EК / 2RК ; RБ = EК / IБ0 . Для предварительных усилителей низкой частоты рекомендуется принимать: UК=6–30 В ; RК=1–5 кОм ; RК (1,5–3) RНАГР. Типовым режимом может являться, например следующий: IК=0,8 – 1,0 мА ; UК0=4 – 6 В. В этом режиме возможно получение амплитуды напряжения на нагрузке до 1–2 В и амплитуды тока нагрузки до 0,2–0,3 мА, что является вполне достаточным в подавляющем большинстве случаев. При работе усилительного каскада в режиме, соответствующем линейным участкам характеристик, т.е. в отсутствие искажений, коэффициент усиления и другие параметры усилителя (входное и выходное сопротивление) можно рассчитать аналитически с помощью h-параметров транзистора. С этой целью используют схему замещения усилительного каскада с общим эмиттером (рис. 5) для переменных составляющих токов и напряжений. Основой этой схемы является схема замещения транзистора (обведена пунктиром). В схеме замещения усилительного каскада не учтены конденсаторы и источник питания, так как переменные составляющие напряжения на них принимают равными нулю. Поэтому резистивный элемент RК включён между коллектором и эмиттером транзистора, т.е. между точками К и Э. Резистивный элемент RБ показан пунктиром, т.к. его обычно не учитывают вследствие того, что сопротивление резистора RБ значительно больше входного сопротивления h11 транзистора. Для определения коэффициента усиления усилителя с ОЭ запишем для узла К схемы замещения уравнение по первому закону Кирхгофа (при Rнагр=). h21*iвх+h22*uвых+ uвых/Rk=0 Входное напряжение определяется по формуле: uвх= h11*iвх Решая совместно два последних уравнения, получим выражение для коэффициента усиления каскада в режиме холостого хода. т.к. обычно h22*Rk<<1, то: Из схемы замещения получают выражения для входного и выходного сопротивления усилителя: Rвх=h11 ; Rвых=RК Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ обычно определяют по справочнику, где указаны значения h-параметров. Для транзисторов малой и средней мощности оно лежит в пределах от нескольких десятков Ом до единиц кОм. Выходное сопротивление усилителя ОЭ обычно больше входного, т.к. определяется сопротивлением RК, имеющим значение несколько кОм. При работе усилительного каскада на нагрузку Rн коэффициенты усиления будут: • По напряжению: • По току: • По мощности: КP = КU ·КI Коэффициенты усиления зависят в первую очередь от коэффициента передачи по току h21 транзистора, сопротивления в коллекторной цепи RК, сопротивления входа усилителя h11 и сопротивления нагрузки RН. Рассмотренный простейший усилитель обладает рядом недостатков, важнейшим из которых является нестабильность работы в зависимости от температуры. При повышении температуры транзистора увеличивается коллекторный ток за счёт возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению выходных характеристик транзистора. При увеличении коллекторного тока на ΔIК коллекторное напряжение уменьшается на ΔU=RК · ΔIК. Это вызывает смещение рабочей точки вверх по линии нагрузки, что может привести к искажению выходного сигнала. Для уменьшения влияния температуры на характеристику усилительного каскада с ОЭ в цепь эмиттера включают резистор RЭ, шунтированный конденсатором СЭ, а в цепи базы применяют делитель R1, R2 (рис. ). При этом напряжение смещения потенциала базы зависит от сопротивления резисторов: При наличии резистора RЭ увеличение эмиттерного тока IЭ=IБ+IК из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на резисторе RЭ. Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, а, следовательно. уменьшение токов IБ и IК. Это не обеспечивает абсолютной компенсации роста тока коллектора, но влияние температуры на ток IК при этом во много раз снижается. Конденсатор СЭ устраняет отрицательную обратную связь по переменной составляющей эмиттерного тока, чтобы не уменьшать коэффициента усиления каскада. Рассмотренный способ температурной стабилизации называют эмиттерной стабилизацией. Недостатком его является повышение напряжения питания усилителя на величину падения напряжения на резисторе RЭ. Для диапазона температур –60+60 0С RЭRК и напряжение, и мощность источника должны быть повышены вдвое. Для выбора параметров схемы рис. 6 рекомендуются следующие формулы и соотношения: ; ; ; ; Рис.8 Рис.9 ; ; ; ; ток делителя R1 и R2 в цепи базы ; сопротивления делителя ; ; ; нижняя частота усиливаемого сигнала ; ║ коэффициент нестабильности каскада желательно, чтобы S<(2÷7). Характеристики усилителя. Для оценки диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажений, используют амплитудную характеристику UmВЫХ = f(UmВХ), представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения (рис.7 ). Пока амплитуда входного сигнала не выходит за пределы линейных участков характеристик транзистора, форма выходного напряжения будет соответствовать форме входного напряжения (линейный участок амплитудной характеристики on). При больших входных сигналах, при которых базовые и коллекторные токи выходят за пределы линейных участков характеристик транзистора выходное напряжение значительно искажается ( приобретает трапецеидальную форму) и амплитуда выходного напряжения практически не увеличивается. Амплитудная характеристика позволяет выявить динамический диапазон усилителя, который определяется напряжением UmВХ, ограничиваемым допустимым нелинейными искажениями. Важной характеристикой усилителя, работающего в широком диапазоне частот, является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость модуля коэффициента усиления усилителя К от частоты. Обычно анализируют нормированную АЧХ, в виде зависимости , (рис.8). По оси координат откладывают значения модуля коэффициента усиления в относительных единицах, , по оси ординат частоту в логарифмическом масштабе, очень удобном для широкого диапазона частот. Для УНЧ характерно уменьшение коэффициента усиления при частотах менее 100 Гц и свыше 15-20 кГц. При малых частотах увеличивается сопротивление разделительного конденсатора С2, что приводит к уменьшению выходного напряжения. При больших частотах коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния паразитных емкостей (входная емкость следующего каскада, емкость монтажа), которые шунтируют вход следующего каскада и уменьшают подаваемое на него напряжение. Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента усиления остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах. Например, для усиления сигналов речи необходим усилитель с рабочим диапазоном частот от 50 Гц до 6-7 кГц, для качественного воспроизведения музыки – усилитель с диапазоном от 20 Гц до 15 кГц, в ЭВМ часто используются усилители с верхним пределом частоты 100 МГц и выше. Фазо – частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига выходного сигнала по отношению к фазе входного (рис.9), где φ = φвых - φвх. На графике (рис.9) видно , что фазовый угол сдвига в области нижних частот положителен, в области средних частот примерно равен нулю, в области верхних частот – отрицателен. Допустимая величина в областях нижней и верхней частот примерно равна φ ≈ 45о. Фазовые искажения обусловлены наличием реактивных элементов в схемах усилительных устройств. В ЭВМ, автоматике, телевидении, импульсной технике фазовые искажения недопустимы. В усилителях звуковой частоты фазовые искажения менее ощутимы. Искажение сигнала в усилителях подразделяют на линейные и нелинейные. Линейные искажения обусловлены влиянием на сигнал реактивных элементов. К ним относятся частотные и фазовые искажения. Частотные искажения не вызывают изменение формы выходного сигнала. Мерой частотных искажений является коэффициент частотных искажений М, который равен отношению модуля коэффициента усиления на средней (квазирезонансной) частоте к модулю коэффициента усиления на нижний или верхний частоте: ; . Допустимое значение М лежит в пределах 1,05÷1,5. Чаще всего его принимают равным . Диапазон частот, в котором и не превышают допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя. Нелинейные искажения возникают в усилителе вследствие чрезмерно больших входных сигналов, а также вследствие неправильного выбора режима работы усилительного элемента, например, неправленым выбором положения рабочей точки на линии нагрузки. В результате амплитуды положительной и отрицательной полуволн выходного сигнала могут быть не одинаковы. Такой усиленный сигнал состоит из суммы гармонических составляющих. Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник как отношение действующего значения высших гармоник выходного тока к действующему значению первой гармоники тока. , где индексами , , и т. д. обозначены частоты первой, второй и следующих гармоник. может иметь значения от 0,1 до 15 %.