2.2. УСИЛИТЕЛИ

Важным назначением электронных приборов является усиление электрических сигналов. Устройства для решения этой задачи называются усилителями.

Структурная схема усилителя приведена на рис.2.1.

Рисунок 2.1.

Устройство содержит входное устройство (ВХУ) для передачи сигнала от источника (Ист. С) ко входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигна­ла ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной состав­ляющей тока от источника к усилителю, или наоборот.

Предварительный усилитель (Предв. У) состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощ­ности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах. Усилитель мощности (УМ) служит для отдачи в нагрузку необходимой

мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления. Выходное устройство (Вых. У) используется для передачи усиленного сигна­ла из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку (Н). Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно или нецелесо­образно. Тогда роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускаю­щие постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согла­сования сопротивления выхода усилителя и нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе интегральных схем избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритных размеров и технологических трудностей изготовления.

Источник питания обеспечивает питание активных элементов усилителя.

Основными признаками для классификации усилителей явля­ются диапазон рабочих частот и параметры, характеризующие его усилительные способности: ток, напряжение, мощность. Важней­шими техническими показателями усилителя являются: коэффи­циент усиления, входное и выходное сопротивления, диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон, нелинейные, частот­ные и фазовые искажения. Усилители мощности характеризуются выходной мощностью и КПД.

Для реализации высоких значений коэффициента усиления используют последовательное включение нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей (содержащих n каскадов) общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиле­ния отдельных каскадов:

К = К₁ К₂ ... К_n.         
            Первый каскад определяет входное сопротивление усилителя

R_ВХ = U_BХ / I_ВХ.

Если этот каскад работает при слабых входных сигналах, то к нему предъявляются жесткие требования по уровню собственных шумов.

Выходной каскад усилителя обычно является усилителем мощности. Он характеризуется выходным сопротивлением R_ВЫХ = U_BЫХ / I_ВЫХ. Важным показателем является полезная мощность в нагрузке  R_H:

P_ПОЛ = U²_ВЫХ / R_Н = I²_ВЫХ R_H,

где U_ВЫХ и I_ВЫХ — действующие значения выходного напряжения и тока соответственно.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной мощности в нагрузке Р_ПОЛ к мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания

            . 

При больших амплитудах сигналов из-за нелинейности харак­теристик усилительных элементов возникают нелинейные искаже­ния. Поэтому в практике используют понятие номинальной выходной мощности — максимальной мощности при искажениях, не превышающих допустимое значение. Степень нелинейных искажений усилителя оценивают величиной коэффициента гар­моник:

            ,

где U₂, U₃, U_n — действующие значения напряжений гармоник, возникших в результате нелинейного усиления; U₁ — действующее напряжение первой гармоники.

Общая величина коэффициента гармоник многокаскадного усилителя зависит от нелинейных искажений, вносимых отдель­ными каскадами, и определяется по формуле

              .

В электросвязи нелинейность усилителей принято оценивать затуханием нелинейности А в неперах:

.

Наличие в усилителях реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) приводит к возникновению частотных искажений и не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широкой полосе частот. Примерный вид АЧХ усилителя показан на рис. 3.2, а.

Рисунок 2.2.

          Степень искажений на отдельных частотах оценивается коэффи­циентом частотных искажений К_Ч, равным отношению коэффи­циента усиления К₀ на средней частоте f₀ к коэффициенту усиления К_f на данной частоте f:

            K_Ч = К₀/К_f.     

Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона рабочих частот: нижней f_н и верхней f_в. Коэффициенты частотных искажений в этом случае М_Н = К₀/К_Н, М_B = К₀/К_В. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искаже­ний отдельных каскадов:

М = М₁М₂...М_n (раз).        

Обычно коэффициент частотных искажений выражают в деци­белах М_(ДБ) = 20LgМ_раз = М₁ + М₂ + ... +М_n.

Частотные искажения в усилителе сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным напряжениями, что приводит к фазовым искажениям. Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике (рис. 2.2,б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Идеальная АЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот (штриховая линия на рис. 2.2, а).

Идеальная фазочастотная характеристика (ФЧХ) — прямая, начинающаяся из начала координат (штриховая линия на рис. 2.2, б). Идеальная амплитудная характеристика усилителя показана штриховой линией на рис. 2.2, в. В реальных усилителях наблюдаются отклонения от идеальной характеристики при слабых и больших входных сигналах. В первом случае это объясняется наличием собственных шумов усилителя, во вто­ром — ограниченностью линейного участка характеристик усили­тельных каскадов (обычно последнего).

Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сиг­нала на входе усилителя называют его динамическим диапазоном D:

D = 20 lg (U_{ВХ max} / U_{ВХ min}).

            Рисунок 2.3.

В ка­честве базового узла предварительных усилителей наиболее широко применяется усилительный каскад на БТ, включенный по схеме с общим эмиттером. Простейшая схема такого каскада приведена на рис. 2.3, а графики, поясняющие его работу, — на рис. 2.4. Для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку А выбирают посередине рабочего участка характеристик (участок ВС на рис. 2.4, б). Выбранный режим обеспечивается требуемой величиной тока базы I_БА, задаваемого резистором R_Б. Сопротивление резистора R_Б рассчитывается по формуле

.

Здесь U_БЭА, I_КА, I_БА — напряжение и соответствующие токи в рабочей точке А.

При подаче на вход транзистора напряжения сигнала u_вх происходит изменение тока базы, а следовательно, и изменение тока коллектора i_к и напряжения на сопротивлении нагрузки R_H.

Амплитуда выходного тока I_км примерно в (b_БТ раз больше амплитуды базового тока I_БТ, а амплитуда кол­лекторного напряжения U_Кm во много раз больше ам­плитуды входного  напряжения: U_Кm>>U_ВХm=U_БЭm. Таким об­разом, каскад усиливает ток и напряжение входного сигнала, что иллюстрирует рис. 2.4, а и б.

Пользуясь графиками, при­веденными а этих рисунках, нетрудно определить основные параметры каскада:

входное сопротивление

R_ВХ = U_БЭm / I_Бm.

коэффициент усиления  по  току

            К_i = I_кm / I_Бm.

коэффициент усиления по  напряжению

К_u = U_Кm / U_БЭm.

коэффициент усиления по мощности

К_Р = К_uК_i.

Обычно каскады предварительных усилителей работают в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно превосходят аналогичные перемен­ные составляющие). Эта особенность позволяет использовать аналитические методы расчета параметров каскадов по известным Н-параметрам транзистора.

Для определения параметров предварительного усилителя на БТ аналитическим методом воспользуемся моделью, приведенной на рис. 3.5, д. Предположим вещественный характер Н-параметров, что справедливо в области низких частот. Здесь усилитель представлен четырехполюсником, описываемым системой уравне­ний, где

            .

Рисунок 2.4.

Решая совместно системы уравнений, получаем формулы для расчета основных параметров усилителя, пригодные для любой схемы включения транзистора:

;

;

;

.

Анализ полученных уравнений показывает, что все параметры усилителей на БТ существенно зависят от сопротивления R_H.Э.. В каскадах усилителей (см., в частности, рис. 2.3) под R_H.Э. понимается эквивалентное сопротивление нагрузки каскада, обра­зованное параллельным включением сопротивлений R_H и входного сопротивления следующего каскада R_ВХ.СЛ. При определенном сопротивлении нагрузки, называемом оптимальным, наблюдается максимальное усиление мощности входного сигнала:

.

Однако обычно в предварительных усилителях не ставится условие получения максимального усиления мощности входного сигнала и выполняется неравенство R_H.Э.<<R_H.Э.ОПТ. С учетом этого можно использовать упрощенные формулы для расчета параметров каскада предварительного усилителя: R_ВХ»H₁₁; К_i»H₂₁; ; .

Приведенные выше параметры получены без учета влияния реактивных элементов схемы. Это справедливо для области средних частот (см. рис. 2.2, а), где коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности не зависят от частоты.

На входе и выходе предварительного усилителя (рис. 2.3 и 2.5, б) используются элементы межкаскадной связи: разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2. Разделительный конден­сатор С_р1 обеспечивает гальваническую развязку источника сигна­ла и входа транзистора, а конденсатор С_р2 препятствует попада­нию постоянной составляющей тока коллектора на вход следую­щего каскада. Для получения больших значений коэффициента усиления используют последовательное соединение однотипных каскадов, выделенных на рис. 2.3 штриховой линией. Модели предварительного усилителя с учетом реактивных элементов приведены на рис. 2.5, б — д.

Рисунок 2.5.

Наличие в усилителях емкостей межкаскадной связи приводит к частотным искажениям усиливаемых сигналов в области нижних частот. Это нетрудно объяснить, рассматривая модели усилителя с генератором тока (рис. 2.5, б) или с эквивалентным генератором напряжения (рис. 2.5, в).

В усилителе на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, роль R_r выполняет динамическое сопротивление «коллектор — база» R_K6, а напряжение генератора определяется выражением , где U'_ВХ — напряжение на эмиттерном переходе (отличается от U_BX на величину падения напряжения на сопротивлении базы R₆). При понижении частоты увеличивается сопротивление емкости раз­делительного конденсатора (Х_с = 1/(wС_р2), включенного последо­вательно с внешней нагрузкой каскада (входом следующего каскада).

На низких частотах увеличивается падение напряжения сигнала на емкости разделительного конденсатора и, следовательно, снижается выходное напряжение каскада. Это приводит к умень­шению коэффициента усиления с понижением частоты. Как видно из модели на рис. 2.5, в, функцию внешней нагрузки рассмат­риваемого предварительного усилителя выполняет эквива­лентное входное сопротивление следующего каскада: R_Э = R₆₂ (R_{б сл} + R_{бэ СЛ})/(R₆₂ + R_{б СЛ} + R_{53 СЛ}), где R_б2 — сопротивление, обеспечивающее требуемый ток базы в исходном режиме следую­щего транзистора; R_{6 сл} — сопротивление базы следующего транзи­стора; R_{бэ СЛ} — сопротивление эмиттерного перехода следующего транзистора.

Для облегчения анализа низкочастотных свойств предваритель­ного усилителя полную модель (рис. 2.5, в) преобразуют в упрощенную модель, изображенную на рис. 2.5, г. Здесь усили­тельные свойства биполярного транзистора учтены эквивалентным генератором напряжения с U_Г.НЧ и внутренним сопротивлением R_Г.Н.Ч:

U_Г.НЧ=U_ГR_Н/(R_Г+R_Н), R_Г.НЧ=R_ГR_Н/(R_Г+R_Н).

Выходное напряжение усилителя в области нижних частот, как видно из рис. 3.5, г, определяется выражением

_ВЫХ.НЧ= _ВЫХR_Э=U_Г.НЧ / (R_Г.НЧ - j +R_Э).

В области средних частот сопротивление емкости С_р2 стано­вится пренебрежимо малым и выходное напряжение определяется выражением

U_ВЫХ.СР=U_Г,НЧR_Э / (R_Г.НЧ+R_Э).

Отношение напряжения U_вых._нч к напряжению позволяет определить в комплексной форме относительное усиление каскада в области нижних частот:

.

Величину С_р2 (R_Г.НЧ + R_Э) называют постоянной времени каскада на нижних частотах и обозначают t_НЧ. Модуль выражения является уравнением нормированной АЧХ каскада в области нижних частот, а величина, обратная модулю, показывает зависимость коэффициента частотных искажений от частоты:

 ;

Отношение множителя при мнимой части выражения к его действительной части позволяет определить tgj, необходимый для расчета фазочастотной характеристики каскада:

j = arctg[l/(wt_HЧ)] = arctg[l/(wC_p2(R_Г.НЧ + R_Э)].    

При изменении частоты  от нуля до бесконечности, угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями меняется от +90° до нуля.

Для определения импульсной характеристики каскада в об­ласти больших времен выражение запишем в операторной форме: К(p)=pt_НЧ/(1+pt_НЧ). Этому изображению соответствует оригинал, представляющий импульсную характеристику усили­теля:

К(f) = exp(-t/ t_НЧ).     

Полученные выше расчетные формулы пригодны и для предварительных усилителей на полевых транзисторах, если принять в качестве U_г = m_ПТU_вх, а в качестве R_Э.НЧ сопротивление утечки, включенное между затвором и истоком. В усилителях на биполярных транзисторах вследствие малых значений сопротивле­ния R_Э.НЧ для получения требуемых значений t_НЧ и, следовательно, небольших частотных искажений в области нижних частот приходится использовать электролитические конденсаторы боль­шой емкости. Этого недостатка лишены усилители на полевых транзисторах. Вследствие высокого входного сопротивления в каскадах с полевыми транзисторами нетрудно обеспечить требуе­мые t_Н.Ч при использовании разделительных конденсаторов малой емкости.

Наличие в усилителях междуэлектродных емкостей транзисто­ров и монтажных емкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области верхних частот. Для анализа высокочастотных свойств предварительного усилителя полную модель (см. рис. 2.5, а) преобразуют в упрощенную модель, приведенную на рис. 2.5, д.

Здесь усилительные свойства биполярного транзистора учтены генератором напряжения с внутренним сопротивлением, опреде­ляемым выражением

            ,

где R'_Н = R_HR₆₂/(R_H + R_б2). В предварительных усилителях обычно R_Г>>R'_H. Поэтому в дальнейшем можно использовать выраже­ние в упрощенном виде R_Г.ВЧ»R_бэСЛ(R_бСЛ+R’_Н)/(R_бэСЛ+R_бСЛ+R’_Н).

В высокочастотной модели каскада предварительного усиления междуэлектродные и монтажные емкости учтены в виде нагру­жающей каскад эквивалентной емкости С_Э = С_ВЫХ + С_М + С_{ВХ сл}, где С_вых — выходная емкость транзистора рассматриваемого каскада; С_м — монтажная емкость; С_{вх сл} — входная емкость следующего каскада. Наибольший вклад в С_э вносит емкость С_{вх сл}. Эта емкость определяется выражением С_{вх. сл} = С_бэ + С_к , где С_бэ = = 1/(2pf_bR_6э) — емкость перехода база — эмиттер; С_к — емкость коллекторного перехода; К_u — коэффициент усиления по напряже­нию следующего каскада.

Эффект увеличения коллекторной емкости объясняется тем, что через нее протекает ток, пропорциональный разности потенциалов между базой и коллектором следующего каскада.

Выходное напряжение каскада в области верхних частот согласно модели рис. 2.5, д определяется по формуле

.

Величину C_эR_Г.ВЧ называют постоянной времени каскада в области верхних частот и обозначают t_ВЧ. На средних частотах wС_эR_Г.ВЧ<<1 и, следовательно,  становится равным _Г.ВЧ. Нормированный коэффициент усиления в области верхних частот в комплексной форме определяется выражением

            .

Модуль выражения  представляет  собой уравнение нормированной   АЧХ каскада в области верхних частот, а обратная ему величина характеризует зависимость коэффициента частотных искажений от частоты

;

.

Аргумент выражения представляет собой фазочастотную характеристику в области верхних частот j = arctg(wC_ЭR_Г.ВЧ). Отрицательное значение угла сдвига фазы свидетельствует об отставании выходного напряжения от входного на верхних частотах (при w ® ¥,  j ® -90°).

Для определения импульсной характеристики каскада в об­ласти малых времен запишем выражение в операторной форме: К_ВЧ(р)= 1/(1+pt_ВЧ). Этому изображению соответствует оригинал, представляющий нормированную импульсную характе­ристику в области малых времен:

            К_ВЧ(t)=1-exp(-t/t_ВЧ).

Выражения позволяют рассчитать нормирован­ные характеристики каскадов предварительного усиления, необхо­димые для анализа свойств усилителей.

Модель, изображенная на рис. 2.5, д, пригодна для анализа усилителей на полевых транзисторах. В последних также наиболь­ший вклад в С_э вносит входная динамическая емкость. Однако если у биполярных транзисторов наибольшее влияние оказывает входная емкость (емкость перехода «база — эмиттер»), то в случае полевых транзисторов преобладающее влияние оказывает динами­ческая проходная емкость «затвор — сток»: С_{зс. ДИН} = С_ЗС(1+ ).

Рассмотренный кас­кад предварительного усиления (см. рис. 2.3) отличается просто­той и малым потреблением тока от источника питания. Однако он имеет существенный недостаток: режим работы сильно зависит от температуры окружающей среды и нарушается при смене транзис­тора, а также с течением времени. В той или иной степени избежать этого недостатка позволяют каскады усиления со стабилизацией режима, схемы которых приведены на рис. 2.6.

Рисунок 2.6.

В схеме на рис. 2.6, а стабилизация режима достигается включением резистора между базой и коллектором. При этом транзистор оказывается охваченным параллельной ООС по напря­жению. Это приводит к уменьшению входного и выходного сопро­тивлений, а также к стабилизации режима. Такой способ получил название коллекторной стабилизации. Каскады с коллекторной стабилизацией сохраняют нормальную работу при перепадах температуры до 30° С и изменении b_БТ транзисторов до двух раз.

В схеме рис. 2.6, б, получившей название схемы эмиттерной стабилизации, используется последовательная ООС по постоян­ному току. Она достигается включением резистора в цепь эмиттера транзистора. Для того чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления полезного сигнала резистор R_Э шунтиру­ется конденсатором С_Э. Этот конденсатор имеет малое сопротив­ление в диапазоне рабочих частот полезного сигнала и, следова­тельно, ООС по переменному току, таким образом, устраняется. Эффективность работы такой схемы стабилизации тем лучше, чем высокоомнее сопротивление К_э, так как в этом случае больше глубина ООС. При эмиттерной стабилизации каскад сохраняет нормальную работу при перепадах температуры порядка 70° С и изменении b_БТ транзисторов в 5 раз.

На рис. 2.6, в приведена схема комбинированной стабилизации режима. Она обеспечивает наилучшую стабильность режима, так как, по сути, является объединением схемы коллекторной и эмиттерной стабилизации. При этом транзистор оказывается охваченным комбинированной ООС как по напряжению, так и по току.

В предва­рительных усилителях могут использоваться ПТ в трех схемах включения с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Усилительные каскады с общим затвором обладают низким входным сопротивлением, не имеют преимуществ по сравнению с каскадами на БТ и вследствие этого используются редко.

Усилительные каскады с общими истоком и стоком обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на БТ. Наилучшими усилительными свойствами обладают каскады усиления на ПТ, включенные по схеме с общим истоком. Схема такого каскада приведена на рис. 2.7. Здесь в качестве усилительного элемента используется ПТ с p-n переходом и каналом         n-типа. Усиленный входной сигнал выделяется в нагрузке R_Н, включенной в цепь стока. В цепь истока включен резистор R_И. В режиме покоя через резистор R_И протекает ток стока и создает на нем падение напряжения, являющееся напряжением смещения между затвором и истоком. Напряжение смещения необходимо для установки требуемого режима работы усилительного каскада. В цепь затвора включен резистор R₃, обеспечивающий гальваническую связь затвора с общим прово­дом. Посредством этого резистора напряжение смещения прикла­дывается ко входу транзистора: участку «затвор — исток». В рас­сматриваемом каскаде ко входному p-n переходу «затвор —исток» прикладывается запирающее напряжение смещения с резистора R_И. Поэтому транзистор обладает чрезвычайно высоким входным сопротивлением постоянному току. Практически оно определяется выбором сопротивления резистора R₃, которое может составлять 10⁵ ... 10⁷ Ом, что существенно превышает входное сопротивление каскадов усиления на БТ.

Рисунок 2.7.

Для исключения влияния постоянных напряжений источни­ка сигнала и следующего каскада на режим работы рас­сматриваемого каскада используются разделительные конден­саторы С_р1 и С_р2. При подаче переменного входного на­пряжения в цепи канала появляется переменный ток стока, равный току истока (так как ток затвора практически равен нулю). За счет падения напряжения на резисторе R_И от переменной составляющей тока истока переменная составляющая напряжения u_ЗИ, уси­ливаемая транзистором, уменьшается: u_ЗИ = u_ЗИ-i_ИR_И. Следова­тельно, здесь наблюдается явление ООС, приводящее к уменьше­нию коэффициента усиления каскада. Для устранения ООС параллельно R_H включают конденсатор С_И, емкостное сопро­тивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть гораздо меньше сопротивления рези­стора R_И.

Принцип действия усилительного каскада на ПТ поясняется графиками, приведенными на рис. 2.8. В каскаде предваритель­ного усиления исходную рабочую точку А выбирают посередине рабочего участка на семействе выходных характеристик или динамической передаточной характеристики (рис. 2.9). Выбрав положение рабочей точки А, определяют сопротивление резистора R_И: R_И=U_{ЗИ А}/I_{С А}.

При подаче на вход транзистора напряжения сигнала u_вх происходит изменение тока стока, а следовательно, и выходного напряжения на нагрузке R_H: u_СИ = i_СR_H.

Основным параметром схемы является коэффициент усиления напряжения, который определяют как отношение действующих или амплитудных значений выходного и входного напряжений: К_u=U_ВЫХ/U_ВХ=U_СИ/U_ЗИ. Его можно также определить, анализируя эквивалентную схему каскада. Принципиальные схемы каскадов предварительных усилителей на БТ (см. рис. 2.3) и ПТ (см. рис. 2.7) имеют сходство. Это позволяет при рассмотрении свойств каскада предварительного усилителя на ПТ пользоваться упрощенной моделью, приведенной на рис. 2.5, в, учитывая специфические параметры ПТ: крутизну S_ПТ и дифференциальное выходное сопротивление R_i.

Рисунок 2.8.

На средних частотах влиянием С_э и С_р2 можно пренебречь. Тогда выходное переменное напряжение можно рассчитать по формуле

            ,

где R_Н.Э = R_НR_{вх сл}/(R_Н + R_ВХ.СЛ) — эквивалентное сопротивление на­грузки каскада переменному току. Учитывая, что m_П.Т = S_П.ТR_i, найдем

,

где  S_ПТ — крутизна транзистора  в рабочей точке.

При работе каскада с сопротивлением нагрузки существенно меньшим входного сопротивления следующего каскада R_ВХ.СЛ и внутреннего сопротивления транзистора, формула для расчета коэффициента усиления может быть записана в упрощенном виде:

К_u»S_ПТR_Н.

Идентичность моделей каскадов предварительного усиления на БТ и ПТ позволяет использовать выражения для анализа свойств предварительных усилителей на ПТ. Сравнивая свойства каскадов предварительного усиления на БТ и ПТ, можно отметить следующее: каскады на БТ, как правило, обладают большими значениями К_u, так как у маломощных приборов S_БТ>>S_ПТ.

Рисунок 2.9.