Входной каскад унч с полосовым фильтром. Каскады предварительного усиления. Классификация усилительных устройств

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТОРНОГО

УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ПХ - переходная характеристика;

СЧ - средние частоты;

НЧ - низкие частоты;

ВЧ - высокие частоты;

К - коэффициент усиления усилителя;

Uc - напряжение сигнала частотой w ;

Cp - разделительный конденсатор;

R1,R2 - сопротивления делителя;

Rк - коллекторное сопротивление;

Rэ - сопротивление в цепи эмиттера;

Cэ - конденсатор в цепи эмиттера;

Rн - сопротивление нагрузки;

Сн - емкость нагрузки;

S - крутизна трагзистора;

Lк - корректирующая индуктивность;

Rф,Сф - элементы НЧ - коррекции.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью настоящей работы является:

1) изучение работы резисторного каскада в области низких, средних и высоких частот.

2) изучение схем низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя;

2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.

2.1. Изучить схему резисторного усилительного каскада, уяснить назначение всех элементов усилителя и их влияние на параметры усилителя (подраздел 3.1).

2.2. Изучить принцип работы и принципиальные схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя (подраздел 3.2).

2.3. Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета (раздел 4).

2.4. Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).

3. РЕЗИСТОРНЫЙ КАСАКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Резисторные усилительные касакады широко применяются в различных областях радиотехники. Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всей полосе частот, реальный усилитель всегда имеет искажения АЧХ, прежде всего - снижение усиления на низких и высоких частотах, как показано на рис. 3.1.

Схема резисторного усилителя переменного тока на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером представлена на рис. 3.2, где Rc - внутреннее сопротивление источника сигнала Uc ; R1 и R2 - сопротивления делителя, задающие рабочую точку транзистора VT1; Rэ - сопротивление в цепи эмиттера, которое шунтируется конденсатором Сэ; Rк - коллекторное сопротивление; Rн - сопротивление нагрузки; Cp - разделительные конденсаторы, обеспечивающие разделение по постоянному току транзистора VT1 от цепи сигнала и цепи нагрузки.

Температурная стабильность рабочей точки возрастает при увеличении Rэ (за счет увеличения глубины отрицательной обратной связи в касакаде на постоянном токе), стабильность рабочей точки также возрастает и при уменьшении R1,R2 (за счет увеличения тока делителя и повышения температурной стабилизации потенциала базы VT1). Возможное уменьшение R1,R2 ограничено допустимым снижением входного сопротивления усилителя, а возможное увеличение Rэ ограничено максимально допустимым падением постоянного напряжения на сопротивлении эмиттера.

3.1. Анализ работы резисторного усилителя в области низких, средних и высоких частот.

Эквивалентная схема получена с учетом того, что на переменном токе шина питания (“-Е п ”) и общая точка (“земля”) являются короткозамкнутыми, а также с учетом допущения 1/wCэ << Rэ, когда можно считать эмиттер VT1 подключенным на переменном токе к общей точке.

Поведение усилителя различно в области низких, средних и высоких частот (см.рис. 3.1). На средних частотах (СЧ) , где сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало (1/wCр << Rн), а влиянием емкости Со можно пренебречь, так как 1/wCо >> Rк, эквивалентная схема усилителя преобразуется в схему рис.3.4.

Из схемы рис.3.4 следует, что на средних частотах усиление касакада Ко не зависит от частоты w:

Ко = - S/(Yi + Yк + Yн),

откуда с учетом 1/Yi > Rн > Rк получаем приближенную формулу

Следовательно, в усилителях с высокоомной нагрузкой номинальный коэффициент усиления Ко прямо пропорционален величине сопротивления коллектора Rк.

В области низких частот (НЧ) также можно пренебречь малой емкостью Со, но необходимо учесть возрастающее с понижением w сопротивление разделительного конденсатора Ср. Это позволяет получить из рис. 3.3 эквивалентную схему усилителя на НЧ в виде рис.3.5, откуда видно, что конденсатор Ср и сопротивление Rн образуют делитель напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT1.

Чем ниже частота сигнала w , тем больше емкостное сопротивление Ср (1/wCр), и тем меньшая часть напряжения попадает на выход, в результате чего происходит снижение усиления. Таким образом, Ср определяет поведение АЧХ усилителя в области НЧ и практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя в области средних и высоких частот. Чем больше Ср, тем менбше искажения АЧХ в области НЧ, а при усилении импульсных сигналов - тем меньше искажения импульса в области больших времен (спад плоской части вершины импульса), как показано на рис.3.6.

В области высоких частот (ВЧ), как и на СЧ, сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало, при этом определяющим на АЧХ усилителя будет наличие емкости Со. Эквивалентная схема усилителя в области ВЧ представлена на схеме рис.3.7, откуда видно, что емкость Со шунтирует выходное напряжение Uвых, следовательно с повышением w будет уменьшаться усиление касакада. Дополнительной причиной снижения усиления на ВЧ является уменьшение крутизны транзистора S по закону:

S(w) = S/(1 + jwt),

где t - постоянная времени транзистора.

Шунтирующее действие Со будет сказываться меньше при уменьшении сопротивления Rк. Следовательно, для увеличения верхней граничной частоты полосы усиливаемых частот необходимо уменьшать коллекторное сопротивление Rк, однако это неизбежно приводит к пропорциональному снижению номинального коэффициента усиления.

Каскады предварительного усиления. Типовой источник сигнала раньше развивал выходное напряжение на уровне 50-200 мВ. На это напряжение ориентировали высококачественные усилители. Между входными гнездами и сеткой первой лампы раньше располагали корректирующие цепи, в которых сигнал ослаблялся минимум вдвое (6 дБ) на самом чувствительном входе. В тонкомпенсированном регуляторе громкости минимальное ослабление сигнала составляет еще 6дБ. Регуляторы тембра, обеспечивающие глубину регулирования ±20дБ, обычно ослабляют сигнал еще на 30-40дБ. При наличии во входных цепях катодных повторителей потери сигнала возрастали еще на 3-6дБ. Итак, общее затухание сигнала раньше составляло 45-58дб. Величина напряжения сигнала на сетках ламп оконечного каскада составляет в среднем 10-20 в. Отношение этой величины к входному напряжению сигнала составляет 10/0,05 = 200 (46 дБ). Итак, усиление предварительных каскадов с учетом затухания сигнала и необходимого напряжения на сетках ламп оконечного каскада раньше должно было иметь величину порядка 90-100 дб. Иначе говоря, коэффициент усиления предварительных каскадов должен быть равен примерно 100000. Это довольно значительная для низкочастотного усилителя величина. Если коэффициент усиления по напряжению каждого из усилительных каскадов равен примерно 10, то, очевидно, число каскадов должно быть равно 5. При коэффициенте усиления каждого каскада порядка 100 общее количество каскадов будет равно 3 (с некоторым запасом). Поскольку коэффициент усиления, равный 10 на каждый каскад, обеспечивает практически любой современный низкочастотный ламповый триод, а коэффициент усиления 100 на каскад является предельным даже для хороших НЧ пентодов, то можно утверждать, что для ламповых усилителей число каскадов предварительного усиления должно лежать в пределах от трех до пяти.

Сколько же каскадов делать: 3 или 5? Первым, разумеется, напрашивается ответ "3". Однако не стоит торопиться. Три каскада - это значит минимальный коэффициент усиления каскада равен корню третьей степени из 10000. Заметим, что это не μ лампы, а коэффициент усиления каскада, который редко превышает 50% от μ лампы. Следовательно, триоды отпадают. Значит, будет три каскада на пентодах или, в крайнем случае, два на пентодах и один на триоде. Последняя схема, не имеющая никакого запаса по усилению, не позволяет использовать в схеме отрицательную обратную связь, т.е. практически непригодна для Hi-Fi - усилителей, ибо без отрицательной обратной связи немыслимо снизить коэффициент нелинейных искажений и расширить частотный диапазон до требуемых величин. Три каскада на пентодах могут позволить ввести отрицательную обратную связь, но тогда на пентоде оказывается собран и первый, входной каскад, а в этом случае, как показывает опыт, практически невозможно добиться полного отсутствия микрофонного эффекта и уровня фона ниже - 60 дб. Другая крайность - пять каскадов на триодах - всегда обеспечивает нужный коэффициент усиления даже на самых плохих лампах, однако, применяя лампы со средним коэффициентом усиления порядка 20-50, без труда удается получить требуемый коэффициент усиления с достаточным запасом при четырех триодах (т. е. на двух сдвоенных лампах). Такая схема и является наиболее распространенной. Правда, многие зарубежные фирмы выпускают специально разработанный пентод для входного каскада с малым уровнем собственных шумов и не склонный к микрофонному эффекту (EF-184, EF-804 и др.). Применяя такой пентод и последующие триоды с большим μ (90-120) по типу ЕСС-83, удается получить нужный коэффициент усиления на трех каскадах по системе пентод - триод – триод, но во-первых, такая система требует применения специальных ламп, а во-вторых - очень высокого качества трансформаторной стали, высокочувствительных оконечных ламп и т.д. Поэтому такая схема не подходит.

Примечание. В 21 веке ситуация существенно изменилась. Физические аналоговые каскады предварительного усиления сейчас никто не городит. Предварительную обработку сигнала доверяют высококачественным ЦАПам. Входной сигнал считают нормой в 1-2 вольта. Поэтому для лампового оконечника достаточно усиления в 20-50 раз. А с такой задачей справляется одна электронная лампа в каскаде предварительного усиления. Это, например, двойной триод, в котором совмещены функции фазоинвертора. Именно поэтому весь мусор от многочисленных последовательных каскадов остался в далёком прошлом. Евгений Бортник.

Фазоинверторы. Если фазоинвертор собран по схеме, в которой каждое плечо является одновременно и усилителем (например, по схеме рис.1), то коэффициент усиления этого плеча учитывается в общем усилении тракта. Напоминаем, что учитывать нужно усиление только одного плеча, так как второе плечо инвертора является лишь согласователем для второго плеча двухтактного оконечного каскада и не входит в общий усилительный тракт.

Если же фазоинвертор собран по схеме симметричного катодного повторителя (рис.2), то его коэффициент усиления всегда меньше единицы, поэтому такой каскад не только не является усилительным каскадом, но еще требует дополнительного увеличения общего усиления на 4-6 дб.

Методика выбора коэффициента усиления для усилителя на транзисторах совершенно та же. Теперь конкретно о самих схемах каскадов предварительного усиления (КПУ). Это - простейшие резистивные усилители без каких-либо схемных особенностей. Типичным для всех каскадов, как на триодах, так и на пентодах, являются уменьшенные в 2-5 раз по сравнению с оптимальными расчетными величинами анодных (коллекторных) нагрузок для расширения полосы пропускания в сторону более высоких частот, увеличенные до 0,1-0,25 мкф переходные конденсаторы и до 1-1,5 Мом резисторы утечки сетки для снижения спада частотной характеристики на низких частотах, применение отрицательной обратной связи по току во всех каскадах, кроме того, на котором собран блок регулировок частотной характеристики. Что касается самих усилительных элементов, то за последние годы появилось множество различных новых типов ламп и транзисторов с отличными параметрами. Так, величина S у маломощных ламп стала равна 30-50 мА/В против привычных значений 3-10 мА/В, в связи с чем резко возросла чувствительность ламп. Подсчеты показывают, что теоретически все предварительное усиление можно получить даже на двух каскадах с такими лампами. Однако полезно будет предостеречь любителей от поспешности в выборе таких ламп. И дело здесь не в консерватизме, а в том, что увеличение, скажем, крутизны ламп достигается резким уменьшением зазора между управляющей сеткой и катодом, что значительно повышает склонность лампы к появлению термотоков и вытекающих из этого огромных нелинейных искажений. Немаловажны, также большая стоимость и меньшая долговечность таких ламп. Можно утверждать, что такие проверенные многолетней практикой лампы как 6Н1П, 6Н2П, 6НЗП, 6Н23П, 6Н24П, 6Ж1П, 6Ж5П вполне годятся для предварительных каскадов даже самых лучших, самых современных усилителей. Для примера, ниже показаны несколько схем КПУ на лампах в их обычных режимах

На рис.3. показаны каскады предварительного усиления на лампах. а - двухкаскадный усилитель с междукаскадной внутренней обратной связью; б - каскад с линеаризирующей обратной связью в цепи защитной сетки.

Оконечные и предоконечные каскады – усилители мощности. Формально предоконечные каскады (драйверы, от английского слова drive - возбуждать, задавать, раскачивать) относят к усилителям напряжения, т. е. к предварительным каскадам, однако рассмотрены они в этом, а не в предыдущем параграфе, чтобы подчеркнуть, что по характеру работы и по режимам использования драйверы значительно ближе к оконечным усилителям, т.е. усилителям мощности. Для Hi-Fi усилителей характерна значительная величина выходной мощности порядка 15-50Вт. Это значит, что для возбуждения (раскачки) оконечного каскада без заметных нелинейных искажений уже требуется мощность порядка 1-5Вт, при напряжении до 25-35В, а если учесть требования к уменьшению нелинейных искажений, то становится ясным, что обычные маломощные триоды не могут обеспечить возбуждения мощных оконечных ламп. Поэтому логичным и оправданным становится использование в последнем каскаде усиления напряжения мощных ламп. Возможно, что теоретически более правильно предоконечные каскады во всех случаях делать трансформаторными или дроссельными, чтобы получить наибольшую величину коэффициента использования по анодному напряжению ξ, однако есть несколько соображений, почему этого делать не следует. Трансформаторный каскад всегда вносит заметные частотные искажения, а при мощностях свыше 1-2 вт и ощутимые нелинейные искажения. К тому же трансформаторы относительно дороги, сложны и трудоемки в изготовлении, тяжелы и громоздки, чувствительны к магнитным наводкам и одновременно являются источником наводок звуковой частоты для других цепей усилителя (в первую очередь входных).

В то же время в распоряжении радиолюбителей сейчас есть лампы средней мощности, широкополосные и экономичные, позволяющие без труда получить неискаженную мощность порядка 2-4Вт на активном сопротивлении нагрузки. К ним в первую очередь нужно отнести лампы типов 6П15П, 6Э5П, 6Ф3П, 6Ф4П, 6Ф5П, 6Ж5П, 6Ж9П и др. Впрочем, к этому вопросу нужно подходить внимательнее. В ряде случаев по соображениям более простого согласования всё же целесообразно использовать трансформаторную связь. Схемы предоконечных усилителей показаны ниже

Для оконечных НЧ каскадов мощностью до 10-12 Вт радиолюбители в большинстве случаев используют лампы типа 6П14П отчасти потому, что они довольно легко обеспечивают получение указанной мощности. Кроме того, других подходящих для этой цели ламп, к сожалению, нет. Такую устаревшую, хотя и очень неплохую лампу, как 6П3С (6L6) в наше время рекомендовать нельзя, а более мощных специальных ламп для оконечных каскадов УНЧ по типу немецкой EL-34 промышленность не выпускает. [Странное заключение, безо всяких оснований, в 1980-90 гг нельзя рекомендовать применение 6П3С! Чистый волюнтаризм из совдепии. В 21 веке, например, лампы 6П3С могут быть настойчиво рекомендованы для конструирования лампового усилителя. Важно найти экземпляры в хорошей сохранности. Е.Б.] Нередко люди пытаются путем форсирования режима получить большую мощность от тех же ламп 6П14П, однако такой путь совершенно недопустим из-за резкого ухудшения надежности усилителя и возрастания нелинейных искажений при появлении сеточного термотока.

Учитывая сказанное, можно рекомендовать радиолюбителям применять лампы 6П14П в любых двухтактных схемах только при мощностях, не превосходящих 10 вт. [Поразительно бессмысленная рекомендация в стиле, «раз ничего хорошего нету, ну и делайте, то, что делаете». Автор вроде крутой авторитет, а пишет ахинею. Е.Б.] При большей выходной мощности надо переходить на такие явно не "низкочастотные" лампы, как 6П31С, 6П36С, 6П20С, ГУ-50, 6Н13С (6Н5С) как в классических двухтактных и ультралинейных схемах, так и в менее знакомых радиолюбителям мостовых схемах, называемых также двухтактно-параллельными. Первые три из указанных ламп предназначены для использования в оконечных каскадах строчной развертки телевизоров и позволяют снимать с двух ламп мощность до 25Вт, генераторная лампа ГУ-50 при анодном напряжении 500-750 в (а она по паспорту имеет Uа.раб = 1000 в) легко отдает в двухтактной схеме мощность 40-60Вт; двойной триод 6Н13С, сконструированный специально как управляющая лампа в схемах электронных стабилизаторов напряжения, имеет очень низкое внутреннее сопротивление и при сравнительно небольшом анодном напряжении позволяет получить в обычной двухтактной схеме мощность не менее 15Вт (на один баллон), а при включении в каждом плече по два триода параллельно (два баллона) в обычной двухтактной и в мостовой схемах обеспечивает выходную мощность до 25вт. Используя перечисленные лампы, радиолюбитель получает большой выбор для творческой деятельности.

[Очередная рекомендация в смутном состоянии сознания. Интересно, почему для творческой деятельности не подходят сдвоенные или строенные лампы? Может автор просто не знает правила параллельного соединения радиоэлементов? А именно параллельное соединение, при качественном подборе экземпляров, даёт массу промежуточных вариантов очень мощных усилителей с достойными характеристиками. Странно читать рекомендацию лампы 6П31С, которая ничуть не мощнее, чем 6П14П, зато значительно кривее по характеристикам. А ещё с разочарованием приходится наблюдать резвые рекомендации в применении ламп 6Н13С (запараллеленных кстати). Удивительная демонстрация легкомыслия, поскольку автор совершенно не ориентируется в практике, ведь лампы 6Н13С редкостное гуано. Разброс характеристик половинок имеет диапазон 100% и более. Их практически невозможно точно подобрать для параллельного включения, поэтому усилитель не может выдать значительную мощность в нагрузку без перегрева одной из половинок, и коэффициент использования вряд ли превысит 40-50%. И простые схемы параллельного включения для 6Н13С, без выравнивающих обвесов, непригодны. А рассуждения про лампы умиляют, ведь есть большое количество других превосходных ламп, в отличие от рекомендованных, например 6П13С, 6П44С, 6П45С, Г807, в крайнем случае годятся лампы 6Р3С. Е.Б.]

Рис.5. Мощные оконечные каскады низкочастотного тракта УНЧ. а - на лампах 6П36С в ультралинейном включении; б - на лампах ГУ-50 в двухтактно-параллельной схеме; в - на лампах 6Н13С с балансировкой фиксированного смещения

Поскольку все схемы были рассмотрены как низкочастотные, т.е. рассчитанные на ограниченную полосу пропускания (не свыше 5-8 кГц), ничего не говорилось о выходных трансформаторах, дросселях, и автотрансформаторах. Все они - самые обычные, собранные на Ш-образных или ленточных сердечниках из простой трансформаторной стали толщиной 0,35мм. К конструкции каркаса и обмоткам не предъявляется повышенных требований, за исключением высокой степени симметрии отдельных половин первичной обмотки. Это требование особенно существенно для ультралинейных схем включения оконечных ламп. Величины индуктивности рассеяния и емкости первичной обмотки не существенны. Вторичные обмотки при мощностях свыше 10Вт надо наматывать возможно более толстым проводом для уменьшения активных потерь. Желательно сделать несколько отводов, чтобы подобрать наилучший режим работы оконечного каскада. Подробнее этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе. Высокочастотные оконечные каскады двухканальных Hi-Fi усилителей существенно отличаются от низкочастотных, поэтому и рекомендации относительно них будут другими. Прежде всего, это относится к типам ламп. [Поразительные рассуждения . Автор изобрёл собственную классификацию НЧ и ВЧ. Даже махровому дилетанту, причитавшему раздел про вакуумные лампы, прежде всего, очевидно то, что придуманное частотное разделение никакого отношения к вакуумным лампам не имеет вообще, их диапазон уходит в сотни мегагерц. Лампе 6П14П фиолетово, сигналы какой частоты усиливать, будь то 0,1кГц, 1кГц, 5кГц, 8 кГц, 16 кГц или 32кГц. А вот в отношении согласующего трансформатора этот вопрос уже актуален. Но и здесь беспокойств не нужно, т.к. до 18-20кГц годятся обычные трансформаторы, ничего наматывать вовсе не надо. А для частот выше 20кГц следует переходить на ферриты. Такое ощущение, что автор ничего не слышал про секционирование обмоток для улучшения АЧХ, и рекомендует толстый провод вторичной обмотки. А понятие АКТИВНЫЕ ПОТЕРИ - абсолютный собачий бред, поскольку пассивных потерь не бывает и реактивных потерь тоже нетю. Е.Б.]

Поскольку мощность высокочастотных каналов даже в усилителях экстра-класса лежит в пределах 10-12 вт, наиболее подходящими будут лампы 6П14П и 6Н13С. Наилучшие схемы включения - двухтактная ультралинейная, мостовая на 6П14П в триодном включении и "двухэтажная" на 6Н13С. Относительно последней схемы, наиболее часто встречающийся вариант которой, приведен на рис.6, можно сказать, что хотя она и не нова в теоретическом смысле, однако массовое распространение в радиовещательной аппаратуре получила только в 60-х годах прошлого века. Как это нередко бывает, схема стала очень распространенной, причем, говоря о достоинствах схемы, обычно умалчивали о ее недостатках. Попробуем объективно оценить и те и другие.

[Прежде всего, предлагаю здраво оценить самое важное последствие создания бестрансформаторных схем. Прошедшие 50 лет показали, что никакого распространения такие схемы не получили, да и не могли получить. С повышением уровня жизни ценность здоровья возрастает. Поэтому главный и непреодолимый недостаток бестрансформаторный схем – отсутствие гальванический развязки с источником высокого напряжения, никогда не позволит таким схемам достичь хоть какого-то распространения среди человеческого населения. А фантазёры пусть изучают и анализируют режимы такой схемотехники хоть до посинения.]

Рис.6. Одна из наиболее распространенных схем оконечного каскада с последовательным включением ламп по постоянному току

Последовательное включение двух ламп по постоянному току равносильно тому, что по переменному току обе они относительно нагрузки включены параллельно, в силу чего их общее внутреннее сопротивление фактически вчетверо меньше, чем у обычного двухтактного каскада. Если для такой схемы взять лампы, внутреннее сопротивление которых ниже обычного, а в качестве нагрузки использовать сравнительно высокоомные громкоговорители, то оказывается, что выходной трансформатор по расчету имел бы в этом случае коэффициент трансформации, близкий к единице или, во всяком случае, измеряемый единицами. Тогда оказывается возможным подключить нагрузку к лампам непосредственно, без выходного трансформатора. Это, разумеется, является безусловным достоинством схемы. Однако за это достоинство приходится дорого расплачиваться. Прежде всего, непосредственное включение нагрузки все-таки оказывается невозможным из-за наличия в точках ее включения, половины напряжения источника питания (120-150В). Поэтому громкоговорители приходится включать через разделительный конденсатор, емкость которого прямо связана с активным сопротивлением нагрузки и нижней границей полосы пропускания. Действительно, если допустимая потеря напряжения полезного сигнала на разделительном конденсаторе составляет 10% от величины самого сигнала, то при Rн=20Ом и fниж=40Гц реактивное сопротивление конденсатора не должно превышать 2 Ом, откуда его емкость равна

Ясно, что такую емкость может иметь только электролитический конденсатор, но при этом нужно помнить, что его рабочее напряжение должно быть по крайней мере не ниже полного напряжения источника питания, т.е. 300-350В. И тогда оказывается, что стоимость такого конденсатора ничуть не ниже стоимости выходного трансформатора, тем более, что трансформатор в отличие от конденсатора радиолюбитель в случае необходимости всегда может изготовить сам. Конечно, можно изготовить громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки не 20, а 200 Ом, что позволит при тех же условиях уменьшить емкость разделительного конденсатора до 200мкФ, однако в этом случае резко возрастает стоимость громкоговорителя. Впрочем, это не единственный недостаток данной схемы. Второй состоит в том, что при последовательном включении ламп по постоянному току к каждой из них оказывается приложена только половина напряжения анодного источника, поэтому схема может хорошо работать только на специальных лампах, номинальное анодное напряжение которых не превышает 100-150В. Однако большинство ламп подобного типа имеют незначительную максимальную отдаваемую мощность, редко превышающую единицы ватт. Кроме того, исследования показали, что при использовании пентодов эта схема принципиально несколько асимметрична, что делает ее мало пригодной для оконечных НЧ каскадов Hi-Fi усилителей. В высокочастотных каскадах первый недостаток сразу же отпадает, поскольку при выбранных в предыдущем расчете величинах и нижней границе ВЧ канала fниж=2кГц величина емкости разделительного конденсатора

причем в этом случае десятипроцентная потеря сигнала будет иметь место только в самой худшей, практически нерабочей части полосы пропускания, а на fверх=20кГц потери сигнала составят всего лишь 1%. Кроме того, требуемая выходная мощность для оконечного ВЧ каскада значительно меньше, чем для НЧ каскада, что позволяет использовать в этой схеме двойной триод 6Н13С, имеющий низкое внутреннее сопротивление и хорошо работающий при низких анодных напряжениях. Практическая схема такого каскада приведена на рис.7.

Рис.7. Практическая схема "двухэтажного" оконечного каскада на двойном триоде 6Н13С (6Н5С)

Если мощность ВЧ канала не превышает 2-3Вт, можно собрать оконечный каскад по схеме рис.8 на лампах типов 6Ф3П или 6Ф5П. Выходной трансформатор для этой схемы собирают на ленточном сердечнике при толщине ленты не более 0,2мм либо на Ш-образном пермаллое. Для того, чтобы ультралинейная схема дала ощутимый результат и нелинейные искажения действительно были порядка 0,2-0,5%, точку отвода первичной обмотки нужно в каждом случае подбирать опытным путем непосредственно по результатам измерений к.н.и. в процессе налаживания усилителя. Для этого при намотке трансформатора у каждой половины первичной обмотки нужно предусмотреть по 4-6 отводов.

Рис.8. Двухтактный высокочастотный оконечный каскад на лампах 6Ф3П или 6Ф5П (Рвых=2,5Вт)

Для транзисторных усилителей "двухэтажная" схема, напротив, оказывается предпочтительнее всех остальных. Это объясняется низкими величинами внутреннего сопротивления мощных транзисторов и коллекторного напряжения (по сравнению с лампами). Поэтому обеспечивается отличное согласование каскада с нагрузкой даже при использовании обычных низкоомных громкоговорителей, например, типа 4ГД-35. Кроме того, разделительный конденсатор оказывается небольших размеров даже при емкости 2000-5000мкФ, поскольку его рабочее напряжение не превышает 20-30В. Такие схемы широко распространены и радиолюбителям хорошо известны.

В качестве некоторого обобщающего заключения могу привести несколько соображений, которые в 21 веке будут наверняка восприняты как рациональные. Первое соображение – правильность обсуждения автором только двухтактных усилителей, поскольку однотактные схемы предназначены для начинающих. Второе – основательность подхода к систематизации схемотехники каскадов тоже заслуживает уважения. Третье – бесспорная квалификация автора в некоторых случаях граничит с поразительными предрассудками, а промахи в размышлизмах видимо есть следствие высокой теоретической подготовки и недостаточной практической опытности автора. Четвертое – прошедшие десятилетия существенно изменили расклад, как в основных понятиях, так и в схемотехнике, особенно в отношении выходных каскадов высокоэффективных усилителей. Да и церемонности чрезмерной сейчас уже нет. Многое стало проще и понятнее. Некоторые понты умерли не показав жизнестойкости. Но зато им на смену появилить новые понты, вроде бескислородной меди. Очень важным представляется необходимость осознания того факта, что изменение технологического уклада общества не должно изменять принципиальные жизненные ценности, например славянской цивилизации. По материалам из книги Гендина, скачанным в сети публикацию подготовил

Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018

Усилительный режим транзистора определяется постоянными напряжениями между электродами и токами, протекающими в цепях электродов. Их задают элементы внешних цепей транзистора, которые составляют схему его включения. Усилительный прибор, его обвязка, источник питания и нагрузка образуют усилительный каскад .

Рис.20 Схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ

Обозначения в схеме:

R ВХ. V ~ и R ВЫХ. V ~ - входное и выходное сопротивления транзистора V1 переменному току без

учёта элементов внешней цепи (обвязки).

R ВХ.~ и R ВЫХ.~ - входное и выходное сопротивления усилительного каскада.

R U - сопротивление источника сигнала.

R Н~ - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току.

R ВХ.СЛ - входное сопротивление следующего каскада.

U m .ВХ - амплитуда входного сигнала.

U m .ВЫХ - амплитуда выходного сигнала.

Примечание: Все сопротивления цепей измерены в направлении стрелки при разрыве схемы вдоль пунктирных линий.

Независимо от схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК) назначение элементов усилительного каскада одинаково.

Рассмотрим назначения элементов стандартной обвязки транзистора включённого с общим эмиттером (ОЭ) в типовой схеме усилительного каскада (Рис.20).

Развязывающий фильтр по питанию R ф С ф .

При питании усилителя от выпрямителя фильтр по питанию R ф С Ф обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения электрической сети Е К .

Сопротивление резистора R Ф выбирается из расчёта допустимого снижения к.п.д. усилителя и лежит в пределах от долей Ома в оконечных каскадах до единиц кОм в маломощных каскадах, так чтобы ΔU = (0,1…0,2) E K . Тогда ёмкость конденсатора С Ф для звуковых частот может достигать десятки и сотни мкФ, а для её расчёта можно пользоваться приближённой формулой

С Ф > 10 ⁄ (2π F Н R Ф )

Базовый делитель R Б1 R Б2 .

Два резистора R Б1 и R Б2 , включённых последовательно по постоянному току между шиной питания E K и общим проводом, являются базовым делителем напряжения питания и образуют начальное базовое смещение U 0Б = U Б – U Э между базой и эмиттером транзистора V1. Это напряжение U 0б определяет режим работы транзистора: А, В или АВ.

Чем меньше сопротивления резисторов R Б1 R Б2 тем выше температурная стабильность каскада, но при этом недопустимо снижается входное сопротивление каскада по переменному току R ВХ~ , для которого R Б1 , R Б2 и R ВХ. V ~ (входное сопротивление транзистора) включены параллельно .

R ВХ~ = (R ВХ. V ~ ∙ R Б ) ⁄ (R ВХ. V ~ +R Б ), где R Б = (R Б1 ∙ R Б2 ) ⁄ (R Б1 + R Б2 )

Поэтому типовыми значениями номиналов резисторов базового делителя для каскадов предварительного усиления являются: R Б1 – десятки кОм, R Б2 – единицы - десятки кОм.

Сопротивление коллекторной нагрузки R К.

Резистор R К образует путь протекания коллекторного тока покоя I 0К , который определяется выбранным режимом работы транзистора V1 (А, В или АВ).

В сильной степени сопротивление коллекторной нагрузки R К влияет на усилительные свойства транзистора, так как от его номинала зависит угол наклона выходной динамической характеристики. Чем больше сопротивление резистора R К (десятки кОм) тем больше коэффициент усиления каскада по напряжению К U и, наоборот, чем меньше R К (сотни Ом) – тем больше коэффициент усиления по току К I .

Максимальное усиление мощности будет при соизмеримых значениях R К и R ВЫХ. V ~ (выходного сопротивления транзистора переменному току).

По переменному току сигнала сопротивление коллекторной нагрузки R К включено параллельно R ВЫХ. V ~ и может привести к недопустимому снижению выходного сопротивления каскада R ВЫХ.~ .

Резистор автосмещения R Э.

Эмиттерный ток транзистора I Э (как постоянный I 0Э так и переменный I m Э ), протекая через резистор R Э образует на нём падение напряжения U Э . Это напряжение является напряжением обратной связи U ОС , так как связано с входными параметрами транзистора выражением: U 0Б = U Б – U Э,

где U Б – напряжение на базе V1, измеренное по отношению общего провода.

Как будет доказано в последующих темах, отрицательная обратная связь (ООС) противодействует изменению параметров усилительного каскада, обеспечивая стабилизацию его режима, в том числе и температурного.

Например, повышение температуры tºС вызывает увеличение эмиттерного тока I 0Э и U Э , но при этом автоматически уменьшается начальное базовое смещение U 0Б = U Б – U Э , которое подзапирает транзистор и, как следствие, уменьшает эмиттерный ток, компенсируя его зависимость от температуры. Отсюда название R Э – резистор автосмещения . Таким образом ООС по постоянному току благоприятно сказывается на стабильность режима работы усилительного каскада.

Но за счёт протекания тока сигнала I m Э через R Э образуется ООС по переменному току, которая уменьшает, к сожалению, коэффициент усиления каскада. Включив параллельно резистору R Э конденсатор большой ёмкости С Э , можно уменьшить эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи на несколько порядков для самых низких рабочих частот.

Конденсатор С Э предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному току , в результате чего можно избежать снижения коэффициента усиления.

Разделительные конденсаторы С Р1 С Р2 – устраняют связь между каскадами по постоянному току. При их отсутствии режимы работы всех транзисторов гальванически (непосредственно) связанных между собой будут взаимозависимы. Причём, незначительное изменение режима первого транзистора за счёт усилительных свойств приведёт к недопустимому изменению режима последнего.

Емкость межкаскадного разделительного конденсатора в усилителях звуковых частот УЗЧ достигают десятки и сотни микрофарад (мкФ), а выходного разделительного конденсатора, перед громкоговорителем – тысячи мкФ. В высокочастотных цепях ёмкость С Р уменьшается обратно пропорционально рабочей частоте. При использовании полевого транзистора с большим входным сопротивлением, С Р составляет доли мкФ (например 0,1 мкФ).

2. Принцип работы усилительного каскада (Рис.22)

В режиме покоя (при отсутствие сигнала) постоянная составляющая коллекторного тока I 0К протекает от +Е К через R К , переход ЭК VT 1 , R Э , - Е К . Постоянная составляющая коллекторного напряжения, если считать I 0Э ≈ I 0К , равна:

U 0К = Е К - I 0К (R К + R Э)

В усилительном режиме , при подаче сигнала на вход каскада переменная составляющая тока коллекторной цепи I m К протекает по нескольким параллельным цепям:

1. ЭК VT 1 → С Р2 → ЭБ VT 2 → -Е К (общий провод);

2. ЭК VT 1 → R К → С Ф → -Е К;

3. ЭК VT 1 → С р2 → R Б1 → С Ф → -Е К;

4. ЭК VT 1 → С Р2 → R Б2 → -Е К.

Таким образом, полным сопротивлением нагрузки для переменного тока сигнала R н~ является эквивалентное сопротивление параллельно включённых R К, R Б1 , R Б2 , R ВХ. V 2 ,

R Н~ = (R К ∙ R ВХ.СЛ. ) ⁄ (R К +R ВХ.СЛ. ),

где R ВХ.СЛ = (R ВХ. V 2~ ∙ R Б1 ∙ R Б2 ) ⁄ (R ВХ. V 2~ ∙ R Б1 + R ВХ. V 2~ ∙ R Б2 + R Б1 ∙ R Б2 )

Рис.22 Схема усилительного каскада с ОЭ.

Полезной является только составляющая выходного тока усиленного сигнала I m Б2 , протекающая по первой из перечисленных ветвей, так как только она будет усиливаться в следующем усилительном каскаде. Остальные постоянные и переменные токи, протекая через элементы обвязки транзистора, приведут к рассеиванию энергии источника питания и сигнала, снижая к.п.д каскада.

Прохождение и обработка сигнала в цепях усилительного каскада наглядно видно по осциллограммам в характерных точках схемы, приведённых на Рис.22.

При подаче на вход каскада сигнала U m .ВХ ранее постоянные напряжения в схеме U 0Б, U 0К, U 0Э станут пульсирующими U m Б, U m К, U m Э , изменяясь синхронно амплитуде входного сигнала. На осциллограммах видно, что напряжения сигналов U m Б, U m К, U m Э , буду смещены по отношению оси времени в положительную или отрицательную область на величину постоянных потенциалов в этих точках U 0Б, U 0К, U 0Э, в зависимости от полярности источника питания “+ Е К ” или “- Е К ” .

Только при единственном включении транзистора по схеме с ОЭ фаза выходного сигнала (осциллограммы U m К и как следствие U m .ВЫХ ), снимаемого с коллектора изменится на 180º. Поэтому каскад с включением транзистора по схеме с ОЭ называется инверсным . При других включениях транзистора с ОК и ОБ выходной и входной сигналы всегда совпадают по фазе .

Для определения схемы включения транзистора с ОЭ, ОК, ОБ необходимо пользоваться следующим правилом (пример для ОЭ):

Если входной сигнал подаётся в базовую цепь транзистора, а выходной снимается с коллектора , то третий электрод – эмиттер , является общим для входного и выходного сигнала независимо от того, как он включён в схему.

На Рис.23 и Рис.24 представлены схемы с включением транзисторов с общим коллектором ОК и общей базой ОБ и приведены их особенности.

Рис.23 Схема усилительного каскада с ОК.

Важными свойствам усилительного каскада с транзистором, включенным с ОК являются:

1. Большое входное R ВХ (десятки кОм ) и малое выходное (десятки Ом ) сопротивления, что улучшает согласование с предыдущими и последующими каскадами.

2. Входной сигнал не инвертируется, т.е. входной U ВХ и выходной U ВЫХ сигналы совпадают по фазе (φ = 0).

3. Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (К U < 1 , но К I >> 1).

Рис.24 Схема усилительного каскада с ОБ.

Свойство транзисторного усилительного каскада с ОБ противоположные свойствам каскада с ОК. Каскады с включением транзистора по схеме с ОБ в низкочастотных усилителях УНЧ (звуковых частот УЗЧ) практически не используются.

Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема усилителя.

Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р вх выходная мощность Р вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р вх < Р вых < Ро . Следова­тельно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.

Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве слу­чаев одного элемента недостаточно и в усилителе при­меняют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом . Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов : к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными эле­ ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально не­обходимого набора активных и пассивных элементов.

Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема многокаскадного усилителя.

Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

Источни­ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи­тывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических парамет­ров в электрические.

Нагрузкой являются громкоговорители, электриче­ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами - номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.

Классификация усилительных устройств.

Усилительные устройства классифицируют по различным признакам.

По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:

- Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты = 0 до верхней рабочей частоты . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную со­ставляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

- Усилители напряжения , в свою очередь подразделяются на усили­тели низкой, высокой и сверхвысокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

- избирательные усилители (усилители высокой частоты - УВЧ), для которых действительно отношение частот /1 ;

- широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот />>1 (например УНЧ - усилитель низкой частоты).

- Усилители мощности - оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R вн. к = R н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).

По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микро­схемы (ИМС).

Показатели работы усилителей.

К показателям работы усилителей относятся вход­ные и выходные данные, коэффициент усиления, диапа­зон частот, коэффициент искажений, КПД и другие па­раметры, Характеризующие его качественные и эксплуа­тационные свойства.

К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения U вх = U 1 , тока I вх = I 1 или мощно­сти P вх = P 1 ), входное сопротивление, входная емкость или ин­дуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное со­ противление R вх в сравнении с сопротивлением источ­ника сигнала R и предопределяет тип усилителя; в зави­симости от их соотношения различают усилители напря­жения (при R вх >> R и ), усилители тока (при R вх << R и ) или усилители мощности (при R вх = R и ). Входная ем­ кость С вх , являясь реактивной компонентой сопротивле­ния, оказывает существенное влияние на ширину рабо­чего диапазона частот.

Выходные данные - это номинальные значения выход­ного напряжения U вых =U 2 , тока I вых =I 2 , выходной мощности P вых =P 2 и выходного сопротивления. Выходное сопротивление дол­жно быть значительно меньшим, чем сопротивление на­грузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (ин­дуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие

Коэффициентом усиления называется отношение вы­ходного параметра ко входному. Различают коэффициенты усиления по напряжению K u = U 2 / U 1 , по току K i = I 2 / I 1 и мощности K p = P 2 / P 1 .

Характеристики усилителя.

Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сиг­налы различной частоты и формы. К важнейшим харак­теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот­ная, фазо-частотная и переходная .

Рис. 3. Амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость ампли­туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты (рис. 3.). Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, при­чем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U п , создаваемых самим уси­лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли­туде входного U вых = K* U вх и амплитудная характерис­тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика от­личается от прямой.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а вы­ходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке 4.

Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посред­ством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи уси­лителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная (слева) и принципиальная схема с отрицательной ОС по току (справа).

Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линей­ных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усили­тель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает от­дельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке пред­ставлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.

Модель усилительного каскада.

Усилител ьный каскад - конструктивное звено усилителя - содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.

Один из вариантов транзисторного каскада для усиления пере­менного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа вклю­чен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база - эмиттерсоздается источником с ЭДС Е c и внутренним сопротивлением R c источника. В цепи базы установлены резисторы R 1 и R 2 . Коллектор тран­зистора соединен с отрицательным зажимом источника E к через резисторы R к и R ф . Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С 2 поступает в нагрузку R н . Конденсатор Сф совместно с резистором Rф образует RС -звено фильтра (положительную обратную связь - ПОС ), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике E к с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь - ООС ) можно дополнительно включить RC -фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.

Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.

В этой схеме резистор Rк , включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.

Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, так как емкость Сэ значительна.

При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1 , C2 на разных частотах различно.

Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство.

Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.

В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.

Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2) .

Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока Iк , вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление Rэ . Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.

Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.

Усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

Операционный усилитель (ОУ) - унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

· входное сопротивление стремится к бесконечности;

· выходное сопротивление стремится к нулю;

· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;

· бесконечная полоса усиливаемых частот.

ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ.

На рисунке 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рисунке 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен:

Для инвертирующего Киоу = Rос / R1

Для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1

Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.

К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему и по высокому входному сопротивлению. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя . Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров (истоков) подключен ГСТ (генератор стабильного тока), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку (в этом случае Jвхоу стремится к нулю).

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рисунке слева. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

История операционного усилителя связана с тем, что усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Усилители мощности.

Что же представляет из себя усилитель мощности – далее, для краткости будем называть его УМ? Исходя из вышеизложенного, структурную схему усилителя можно условно разделить на три части:

• Входной каскад
• Промежуточный каскад
• Выходной каскад (усилитель мощности)

Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением - динамическую головку или наушники.

Бывают трансформаторные и бестрансформаторные схемы УМ.

1. Трансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ , в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).

Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:

Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя - усилителя с дополнительной симметрией - приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p -типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.

Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1 , работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 - в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх . Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.

Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E . Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффици­ент полезного действия УМ : n max = P н.max / P потр.max = 0,78.

Структурная схема полного усилителя низкой частоты УНЧ изображена на Рис.14.

Рис.14 Структурная схема УНЧ.

Входной каскад выделен с группы каскадов предварительного усиления, так как к нему предъявляются дополнительные требования по согласованию с источником сигнала.

Для уменьшения шунтирования источника сигнала R i низким входным сопротивлением усилителя R ВХ~ должно выполнятся условие: R ВХ~ >> R i

Чаще всего входным каскадом является эмиттерный повторитель, в которого R ВХ~ достигает 50 кОм и более или используются полевые транзисторы, обладающие очень большим входным сопротивлением.

Кроме этого входной каскад должен обладать максимальным отношением сигнал / шум, так как он определяет шумовые свойства всего усилителя.

Регулировки позволяют оперативно устанавливать уровень выходной мощности (громкость, баланс) и изменять форму АЧХ (тембр).

Оконечные каскады обеспечивают требуемую выходную мощность в нагрузке при минимальных нелинейных искажениях сигнала и высокой экономичности. Требования к оконечным каскадам определяются их особенностями.

1. Работа усилителя мощности на низкоомную нагрузку акустических систем требует оптимального согласование оконечного каскада с полным звуковым сопротивлением АС: R ВЫХ~ ≈ R Н .

2. Оконечные каскады потребляют основную часть энергии источника питания и экономичность для них является одним из основных параметров.

3. Доля нелинейных искажений, вносимых оконечными каскадами, составляет 70…90%. Это учитывается при выборе их режимов работы.

Предоконечные каскады . При больших выходных мощностях усилителя назначение и требования к предоконечным каскадам аналогичны оконечным каскадам.

Кроме этого, если двухтактные оконечные каскады выполнены на транзисторах одинаковой структуры, то предоконечные каскады должны быть фазоинверсными .

Требования к каскадам предварительного усиления вы­текают из их назначения - усиливать напряжение и ток, создавае­мые источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.

Поэтому наиболее важными показателями для многокаскадного предварительного усилителя являются: коэффициент усиления напряжения и тока, частотная характеристика (АЧХ) и час­тотные искажения.

Основные свойства каскадов предварительного усиления:

1. Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и могут не учитываться.

2. Построение каскадов предварительного усиления по однотактным схемам требует применения в нихнеэкономичного режима А, что практически не сказывается на общей экономичности усилителя из-за малых значений токов покоя транзисторов.

3. Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяю­щая получить наибольшее усиление иимеющая достаточно большое вход­ное сопротивление, так что каскады можно соединить без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.

4. Из возможных способов стабилизации режима в предварительных каскадах наибольшее распространение получила эмиттерная стабилизация как наиболее эффективная и простая по схеме.

5. Для улучшения шумовых свойств усилителя, транзистор первого каскада выбирают малошумящим с большим значением статического коэффициента усиления по току h 21э >100, а его режим по постоянному току должен быть сла­боточным I ок = 0,2…0,5 мА, а сам транзистор для повышения входного сопротивления УНЧ включают по схеме с общим коллектором (ОК).

Для исследования свойств предварительных каскадов уси­ления составляется эквивалентная электрическая схема их по перемен­ному току. Для этого транзистор заменяется схемой замещения (эк­вивалентным генератором Е ВЫХ , внутренним сопротивлением R ВЫХ ,проходной емкостью С К ),а к нему подключаются все элементы внеш­ней цепи, влияющие на коэффициент усиления и АЧХ (частотные ис­кажения).

Свойства предварительных каскадов усиления определяют­ся схемой их построения: с емкостной или гальванической связями, на биполярных или полевых транзисторах, дифференциальные , каскодные и другие специальные схемы.