Багатокаскадні підсилювачі. Підсилювачі постійного струму

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 17Следующая ⇒

Рисунок 2.16 – Часові діаграми роботи емітерного повторювача

З діаграм видно, що вихідна напруга співпадає за фазою з вхідною напругою.

Оскільки у емітерного повторювача І_Е приблизно дорівнює І_К , графоаналітичний розрахунок його параметрів можна вести, використовуючи побудови, наведені у попередньому питанні.

Розглянемо параметри повторювача, аналогічні параметрам каскаду з СЕ.

1) .

2) .

3) ,

де R_Б – опір бази;

R_Е – опір у колі емітера;

R_ЕБ – опір емітерного переходу.

Якщо вважати, що R_Б → 0 і R_ЕБ → 0, то R_вх = (β + 1) R_Е.

4)   – має мале значення.

Каскади з СК застосовують як узгоджувальні, коли джерело сигналу має великий R_вих, а навантаження (наприклад, каскад підсилення з СЕ) має малий R_вх.

Оскільки каскад не змінює фази і не підсилює напруги вхідного сигналу (К_U ≈ 1), то його й називають повторювачем.

2.3.3 Підсилюючий каскад з СБ

Схема підсилюючого каскаду за схемою з СБ зображена на рисунку 2.17.

Рисунок 2.17 – Підсилюючий каскад з СБ

На рисунку 2.17 конденсатор С3 забезпечує підмикання бази до спільної точки схеми за змінним струмом. Призначення решти елементів те ж саме, що і у попередніх схемах. Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рисунку 2.18.

Основні параметри каскаду:

1) .

2) .

3)   – малий.

Такі каскади використовують як узгоджувальні, коли джерело сигналу має малий R_вих, а навантаження – великий R_вх.

Рисунок 2.18 – Часові діаграми роботи підсилюючого каскаду з СБ

2.4 Багатокаскадні підсилювачі

Якщо один підсилюючий каскад не забезпечує потрібного рівня підсилення, то застосовують багатокаскадні підсилювачі. Структурна схема такого підсилювача зображена на рисунку 2.19.

Рисунок 2.19 – Структурна схема багатокаскадного підсилювача

Загальний коефіцієнт підсилення при цьому становить

К_заг = К₁· К₂· … · К_n.

2.4.1 Багатокаскадні підсилювачі з резистивно-ємнісними міжкаскадними зв’язками

Найбільшого розповсюдження набули підсилювачі змінного струму з резистивно-ємнісними міжкаскадними зв’язками (з RC-зв’язками). Їхні переваги:

- добрі частотні властивості;

- невеликі габарити;

- висока надійність.

Дані підсилювачі широко використовуються як при створенні підсилювачів на дискретних елементах, так і в інтегральному виконанні.

На рисунку 2.20 наведена схема такого підсилювача.

Рисунок 2.20 – Двокаскадний підсилювач з резистивно-ємнісним зв’язком

Підсилювач складається з двох каскадів підсилення, виконаних на транзисторах VT1 і VT2 за схемою з СЕ.

Вхідний сигнал після підсилення першим каскадом через конденсатор С2 надходить до входу другого каскаду, з виходу якого підсилений вдруге через конденсатор С3 надається до навантаження R_Н.

Розрахунок багатокаскадного підсилювача починають з вихідного (останнього) каскаду. Потім, знаючи його вхідну напругу, яка є вихідною напругою попереднього каскаду, приступають до розрахунку попереднього каскаду і т.д. Виходячи з умов забезпечення однотипності, каскади попереднього підсилення виконують однаковими (зазвичай з найбільш можливим коефіцієнтом підсилення). Тому розрахунок завжди зводиться фактично до розрахунку одного каскаду.

Амплітудна характеристика підсилювача має вигляд, наведений на рисунку 2.21.

Рисунок 2.21 – Амплітудна характеристика (а) та часові діаграми вихідного сигналу (б) двокаскадного підсилювача з RC-зв’язками

На рисунку 2.21, а позначено:

1 – 2 – робоча ділянка підсилювача;

2 – 3 – режим насичення.

Динамічний діапазон підсилювача:

.

На ділянці 1 – 2 маємо незначне спотворення форми вихідного сигналу, зумовлене нелінійністю характеристик транзистора.

Другою важливою характеристикою двокаскадного підсилювача з RC-зв’язками є амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), зображена на рисунку 2.22.

Причиною зниження коефіцієнта підсилення на низьких частотах є наявність розділяючих конденсаторів С1, С2, С3, оскільки при ω → 0 опір конденсатора  → ∞.

Рисунок 2.22 – АЧХ двокаскадного підсилювача з RC-зв’язками

Причиною зниження коефіцієнта підсилення на високих частотах є зниження коефіцієнта передачі транзистора за струмом β при ω > ω_вгр.

2.4.2 Багатокаскадні підсилювачі з трансформаторним зв’язком

В таких підсилювачах зв’язок між каскадами здійснюється за допомогою трансформаторів. Звичайно, первинна обмотка вмикається у вихідне струмове коло транзистора попереднього каскаду, а вторинна обмотка – до входу наступного каскаду або безпосередньо до навантаження. У першому випадку маємо справу з підсилювачем напруги, у другому – з підсилювачем потужності.

Структурна схема підсилювача зображена на рисунку 2.23.

У цій схемі перший каскад – підсилювач напруги, другий – підсилювач потужності.

Використання трансформатора надає такі переваги.

1) Підвищується загальний коефіцієнт підсилення як за напругою, так і за струмом.

Рисунок 2.23 – Двокаскадний підсилювач з трансформаторними зв’язками

2) Забезпечуються умови максимальної передачі потужності за рахунок узгодження вихідного опору каскаду з опором його навантаження (R_вих = R_Н).

Але використання трансформатора має і недоліки, а саме:

- підвищуються маса і габарити схеми;

- погіршуються частотні властивості підсилювача.

- нетехнологічність виробництва трансформаторів.

Найширшого розповсюдження трансформаторні підсилювачі знаходили до недавнього часу як підсилювачі потужності. Будуються вони за однотактною або двотактною схемами.

Схема однотактного трансформаторного підсилювача потужності наведена на рисунку 2.24.

У колекторне коло транзистора VT1 увімкнено первинну обмотку трансформатора TV1, а вторинна обмотка якого підімкнена до навантаження R_Н.

Коефіцієнт трансформації

,

де W1, W2 – кількість витків первинної та вторинної обмоток відповідно.

Рисунок 2.24 – Однотактний трансформаторний підсилювач потужності

Призначення решти елементів таке ж саме, що і в попередніх схемах.

Працює підсилювач у режимі класу А.

Недоліками наведеної схеми є:

- низький к.к.д.: η = 0,25 … 0,3;

- наявність сталого підмагнічування осердя трансформатора внаслідок протікання постійного струму І_ОК по його первинній обмотці, що призводить до збільшення габаритів трансформатора.

Вказаних недоліків позбавлений двотактний підсилювач потужності, принципова схема якого зображена на рисунку 2.25.

Рисунок 2.25 – Двотактний трансформаторний підсилювач потужності

Підсилювач складається з двох однотактних каскадів, виконаних на транзисторах VT1 і VT2. Параметри транзисторів повинні бути практично однаковими. Трансформатор TV1 призначений для подачі до входу підсилювача двох напруг U_вх1 та U_вх2, рівних за величинами, але зсунутих за фазою на 180 ел. град. Трансформатор TV2 узгоджує вихід підсилювача з навантаженням, тобто забезпечує виконання умови передачі максимальної потужності. Резистори R1, R2 призначені для створення режиму спокою (в режимі класу АВ) для обох транзисторів.

Цей підсилювач може працювати у класі В або АВ. У трансформатора TV2 стале підмагнічування відсутнє, оскільки по одній його напівобмотці постійний струм тече в одному напрямку, а по другій – у протилежному, причому І_ОК1 = І_ОК2.

Розглянемо роботу підсилювача за наявності U_вх1.

Якщо полярність U_вх1 відповідає вказаній на схемі без дужок, транзистор VT2 закритий, а VT1 працює в режимі підсилення. При цьому в колекторному колі VT1 з’являється підсилена напівхвиля струму, яка через верхню первинну напівобмотку трансформатора ТV2 передається до навантаження.

При полярності U_вх1, вказаній у дужках, транзистор VT1 закритий, а VT2 знаходиться у режимі підсилення під дією U_вх2. Напівхвиля струму, що протікає у колекторному колі VT2, має протилежний напрямок і через нижню первинну напівобмотку трансформатора ТV2 передається до навантаження. Таким чином, транзистори VT1 і VT2 працюють по черзі, створюючи підсилену змінну напругу на навантаженні за два такти.

На рисунку 2.26 зображено вихідні характеристики транзистора та побудову часової діаграми імпульсу колекторного струму.

Рисунок 2.26 – Побудова часової діаграми імпульсу колекторного струму за допомогою вихідної характеристики транзистора

Повна та вихідна потужності відповідно становлять

.

2.4.3 Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення

Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення якнайширше використовують як у складі ІМС, так і в дискретному виконанні Схема такого каскаду, виконана на однотипних транзисторах n-p-n типу, представлена на рисунку 2.27.

Рисунок 2.27 – Безтрансформаторний каскад підсилення на однотипних транзисторах

Транзистор VT2 і навантаження R_Н утворюють каскад з СК, а VT3 і R_Н – каскад з СЕ. Сигнали, що підсилюються, надходять до входів транзисторів VT2, VT3 із зміщенням за фазою на 180 ел. град.: одержання двох протифазних напруг забезпечує фазоінверсний каскад на транзисторі VT2. Транзистори VT2 і VT3 поперемінно відкриваються позитивними півперіодами, зумовлюючи протікання в навантаженні змінного струму.

Живлення такого каскаду можливе і від однополярного джерела. У такому випадку навантаження підмикається через конденсатор великої ємності.

Останнім часом широко використовують каскади підсилення, побудовані на транзисторах різного типу провідності – на комплементарних парах транзисторів. Схема найпростішого такого каскаду наведена на рисунку 2.28. Кожен з транзисторів разом з навантаженням тут утворює схему з СК.

Рисунок 2.28 – Найпростіший каскад підсилення на транзисторах різного типу провідності

Працює каскад у режиму класу В, який відзначається значними нелінійними викривленнями при підсиленні гармонійних сигналів.

Характерна особливість такої схеми – для неї не потрібен фазоінверсний каскад.

Для забезпечення роботи в режимі класу АВ використовують невелике зміщення (0,6 … 0,7) В, як це показано на рисунку 2.29 (подільник R1 … R3).

При цьому за відсутності вхідного сигналу через обидва транзистори протікає невеликий струм спокою (наскрізний струм), а через навантаження не протікає.

Оскільки в цих схемах обидва транзистори увімкнені відносно навантаження як емітерні повторювачі, то вони досить просто узгоджуються з низькоомним опором навантаження і к.к.д. при цьому досить високий. Вихідна напруга дорівнює вхідній, а підсилення потужності відбувається за рахунок підсилення струму.

Рисунок 2.29 – Безтрансформаторний каскад підсилення на транзисторах різного типу провідності в режимі класу АВ

2.5.1 Загальні відомості

У вимірювальній техніці широко використовують пристрої, що мають назву датчиків. Вони є перетворювачами неелектричних величин в електричні, часто – в напругу постійного струму. Їх вихідна напруга пропорційна таким величинам, як температура, тиск, освітленість і т.ін. Рівень вихідних напруг датчиків невеликий, з часом вони мало змінні або взагалі незмінні. Для підсилення таких сигналів зокрема використовуються підсилювачі постійного струму.

У підсилювачів постійного струму (ППС) нижня границя полоси пропускання сигналів на АЧХ дорівнює нулю (рисунок 2.30). Отже, є можливість підсилення сигналів постійного струму.

Схемотехнічно це забезпечується відсутністю розділяючих конденсаторів або трансформаторів між джерелом струму, каскадами і навантаженням. Тобто, ППС є підсилювачем з безпосередніми зв’язками.

Рисунок 2.30 – АЧХ ППС

Основним недоліком ППС як підсилювача з безпосередніми зв’язками є те, що через підсилювач проходитиме не лише корисний сигнал, а й сигнали перешкод, на виході їх не можна відрізнити. Таким чином, на виході ППС виникають зміни підсиленого сигналу, які не пов’язані зі змінами вхідного сигналу, а обумовлені внутрішніми процесами у підсилювачі.

У зв’язку з цим вводять поняття дрейфу нуля:

де U_др.max, U_др.min – відповідно максимальне та мінімальне значення вихідної напруги при незмінному корисному вхідному сигналі: U_вх = const;

К_U – коефіцієнт підсилення.

Способи зменшення дрейфу нуля.

1) стабілізація джерел живлення ППС.

2) Уведення від’ємного зворотного зв’язку.

3) Застосування спеціальних балансних схем.

ППС бувають однотактними та двотактними. Двотактні схеми називають ще балансними (мостовими).

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?