Электроника и микропроцессорная техника

Разновидности транзисторных усилителей переменного сигнала

Широко используется разновидность RC-усилителя — эмиттерный повторитель, повторяющий напряжение входного сигнала на выходе, однако усиливающий его по току и мощности (рис.48).

Рис. 48. Эмиттерный повторитель

Активный элемент эмиттерного повторителя выполнен на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором. Здесь сопротивление нагрузки постоянному току включено в эмиттерную цепь, а внешняя нагрузка также подключена к эмиттеру через разделительный конденсатор. Bxoдным электродом является база, выходным — эмиттер транзистора. Особенность эмиттерного повторителя — глубокая отрицательная последовательная обратная связь по эмиттерному току, обуславливающая высокое входное и низкое выходное сопротивления, высокую стабильность параметров.

Начальный режим  в эмиттерном повторителе устанавливается  по методике рассмотренной выше. При этом для обеспечения симметричного усиления полуволн синусоидального сигнала электрическое смещение выводов транзистора устанавливается равным:   Uбо?Ек/2; Uкэо? Uэо? Ек/2. Из физической эквивалентной схемы замещения (рис.49), составленной с теми же допущениями, что и в предыдущем случае следует:

R?э =Rэ//Rн,  Rвх.тр.ос.= h11э+ R?э (h21э+1) , Rвх.эп=Rб// Rвх.тр.ос.

Кi.тр.=iэ/iб= h21э +1 ,  Кi.эп.=( h21э +1) Rб/( Rб + Rвх.тр.ос),

Кu.эп= u_вых./u_вх.= u_вых/ (u_вых+u_бэ)<1 (0,95-0,99), Кр= Кi.эп.* Кu.эп,

Rвых.= h11э/( h21э.+1).

Из приведенных соотношений следует, что в формировании отрицательной обратной связи по переменному току эмиттера участвует в отличие от RС-усилителя всё сопротивление нагрузки: Uос.~ = i_э(Rэ//Rн), благодаря чему глубина ООС близка к 100%. Этим  объясняется высокое входное сопротивление  транзистора и эмиттерного повторителя в целом.

Практическое значение имеет также транзисторная схема токостабилизирующего двухполюсника, обладающего высоким динамическим сопротивлением (по переменному току). Схема применяется в качестве динамической нагрузки, в частности в операционных усилителях (рис.50):

Рис.51. Вариант схемы токостабилизирующего двухполюсника

Особенности схемы: потенциал традиционного входа (база VТ2) фиксируется на постоянном уровне – прямом напряжении базо-эмиттерного перехода VТ1, включенного диодом; в качестве входной используется коллекторная цепь VТ2. Параметры транзисторов идентичны (обычно интегральное исполнение), что обеспечивает термостабилизацию положения рабочей точки транзистора VТ2. Качественно поясним  процессы в схеме с помощью выходных характеристик транзистора  VТ2 (рис.51).

Статический (начальный) режим характеризуется известными параметрами Iок, Uко, при этом статическое сопротивление Rст=Uко/Iок относительно невелико. Входной сигнал в данном случае представляет собой знакопеременные приращения напряжения Uко. Поскольку выходные характеристики транзистора в линейной области почти плоские, то большим приращениям  u_вх  ( до десятков вольт) соответствуют малые приращения коллекторного тока, т.е. динамическое сопротивление весьма велико: R дин.= / Rст. Резистор Rэ, образующий ООС по эмиттерному току ещё более увеличивает  R дин. Таким образом, схема оказывает токостабилизирующее действие (формирует режим генератора  тока).

Рис.51. Принцип работы токостабилизирующего двухполюсника

Для мощных выходных каскадов наиболее часто используются двухтактные схемы, в которых транзисторы работают с отсечкой коллекторного тока (положение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора соответствует классу В или АВ). Положительная полуволна входного сигнала усиливается одной половиной схемы (1-й такт), отрицательная полуволна – другой половиной (2-й такт). Благодаря этому достигается высокий КПД усилителя. Для связи с нагрузкой и источником входного сигнала применяются трансформаторные и бестрансформаторные схемы.

Трансформаторными называют усилители, в которых соединение усилителя и нагрузки, усилителя и источника входного сигнала производится при помощи трансформатора. Достоинство трансформаторных усилителей — удобство и простота согласования выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки для передачи в нагрузку заданной мощности. Недостатки трансформаторных усилителей — сравнительно боль­шие габариты и вес, меньшая надёжность, сравнительно узкая полоса пропускания, большая стоимость. Простейшая трансформаторная схема приведена на рис.52.

Рис.52. Двухтактный трансформаторный каскад усиления мощности

Положительная полуволна входного сигнала усиливается верхним «плечом» каскада (VТ1), отрицательная –нижним (VТ2) с последующей трансформацией (Т2) усиленных полуволн в нагрузку с восстановлением в нагрузке синусоидальной формы сигнала. Следует отметить, что после приведения известными методами сопротивления нагрузки из вторичной цепи выходного трансформатора (Т2) в первичную (R’н), замены трансформатора эквивалентной индуктивностью (Lэ) и обеспечении условия 2?f_раб Lэ » R’н ,физическая эквивалентная схема замещения каскада для одного плеча практически не отличается от таковой для RС-усилителя (рис.53).

Рис.53. Схема замещения каскада по переменному току.

Таким образом, может быть использована приведенная выше методика расчёта параметров схемы.

Бестрансформаторные усилители мощности имеют ряд преимуществ, а именно,  отсутствие габаритных трансформаторов, гораздо меньшие частотные и  нелинейные искажения, возможность интегрального исполнения. К недостаткам можно отнести необходимость двух источников питания, однако с появлением миниатюрных интегральных стабилизаторов напряжения серии «КР140ЕН» указанный недостаток не является существенным. В большинстве случаев бестрансформаторные усилители реализуются на симметричных транзисторах разного типа проводимости, по схемам с общим эмиттером или общим коллектором. В качестве примера рассмотрим схему и принцип работы двухтактного эмиттерного  повторителя, показанного на рис. 54.

Рис.54   Двухтактный усилитель мощности

При отсутствии входного сигнала ток в нагрузке R_Н практически отсутствует, т.к. протекающие в транзисторах VТ1,VТ2 тепловые коллекторные токи I_КО1 и I_КО2  замыкаются в основном по цепи «+» U_П1 – коллекторно-базовые переходы VТ1,VТ2 – «-» U_П2.  Тепловые эмиттерные токи при этом пренебрежимо малы, примерно одинаковы в силу симметрии параметров транзисторов и направлены противоположно в цепи нагрузки. При подаче переменного (чаще всего синусоидального) входного сигнала в зависимости от его фазы открывается тот или другой транзистор, создавая разнонаправленные токи в сопротивлении нагрузки. Конденсатор С_Р разделяет источник входного сигнала U_ВХ с входом усилителя по постоянному току. Методика расчета одного плеча бестрансформаторного усилителя, как и его схема замещения не отличаются от таковых для однотактного эмиттерного повторителя.

В самостоятельную группу можно выделить усилители на полевых транзисторах. Основной их положительной особенностью является высокое входное и низкое выходное сопротивления, что позволяет использовать их в качестве  согласующих каскадов при работе с источниками входных сигналов, имеющих большое внутреннее сопротивление. При работе в усилительном режиме, используется область пологих выходных характеристик. В качестве примера на рис.55 приведены характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Рис.55   Выходные (а) и передаточная (б) характеристики полевого транзистора с p-n переходом.

В области I (крутая область) ток стока I_С почти линейно зависит от напряжения «сток-исток» – U_СИ и транзистор может быть использован, как сопротивление, регулируемое напряженим между затвором и истоком – U_ЗИ. Область пологих характеристик II напоминает выходные характеристики биполярного транзистора, однако при этом параметром семейства характеристик является не ток базы, а напряжение между затвором и истоком. Область III – запрещенный режим, связанный с разрушением структуры транзистора. В качестве примера рассмотрим схему каскада с общим истоком на полевом транзисторе с p-n переходом и каналом « n » – типа (аналог схемы с общим эмиттером), показанную на рис. 56.

Рис.56. Принципиальная схема каскада с общим истоком

Для обеспечения режима работы каскада в классе А начальное смещение затвора транзистора задается по цепи: R_ЗАТ — затвор – R_СТ.

Истоковый резистор R_{ИСТ —} аналог эмиттерного резистора. Стоковый резистор R_СТ  – аналог коллекторного. Изменение тока через этот резистор приводит к изменению напряжения на нем, во много раз большему изменения напряжения входного сигнала.

Часто возникает необходимость  в соединении  нескольких каскадов для реализации заданного коэффициента усиления. В общем случае многокаскадный усилитель  можно представить в виде структурной схемы показанной на рис.57.

Рис.57.  Структурная схема многокаскадного усилителя.

Входной каскад обеспечивает согласование с выходным сопротивлением источника входного сигнала, далее обеспечивается необходимое усиление по напряжению и мощности. Местные g₁ и общие g₂ цепи обратной связи  предназначены для корректировки параметров усилителя, предотвращения самовозбуждения, а также для стабилизации характеристик. Результирующие коэффициенты усиления или частотных искажений  находят как произведение соответствующих коэффициентов отдельных каскадов.

Рассмотренные выше каскады усиления, а также многокаскадные усилители различного назначения выполняются как на дискретных элементах, так и во многих случаях в виде интегральных линейных микросхем. Обычно интегральный усилитель представляет собой законченный функциональный узел, интегрированный в одном корпусе, чаще всего в виде гибридной (сочетающей дискретные и полупроводниковые элементы) микросхемы с оговоренными в технических условиях параметрами. При использовании интегральных усилителей существенно сокращается объем расчетов, при этом основное внимание уделяется согласованию отдельных микросхем по уровням сигналов, организации местных и общих цепей обратных связей.

Рассмотренные выше усилители предназначены для работы с монотонными или амплитудно-модулированными синусоидальными  информационными  сигналами, информационными параметрами которых могут служить напряжение, частота или фаза.