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.

В устройствах автоматики нагрузкой выходного каскада усилителя низкой частоты может быть электромагнитное реле, электродвигатель или какой-нибудь иной исполнительный механизм. В радиоприемнике или проигрывателе нагрузкой является обмотка динамика.

Выходной каскад, так же как и предварительный каскад. УНЧ, может быть собран на транзисторе по схеме с общим эмиттером. Следует отметить, что, так как сопротивление нагрузки R H обычно гораздо меньше внутреннего сопротивления коллекторной цепи R ef н K , мощность, которая выделяется на нагрузке, включенной непосредственно в цепь коллектора, будет весьма мала. Для того чтобы эта мощность была максимально возможной, необходимо выполнить условие R H -R eHK , т. е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника полезного сигнала. Для этого на практике применяют согласующие трансформаторы (рис. 28). Подобные схемы однотактного транзисторного усилителя мощности с общим эмиттером применяются в том случае, если выходная мощность не превышает 3 - 5 Вт. Нагрузка R H включена через согласующий трансформатор Тр.

Суть согласования состоит в том, чтобы вносимое в первичную обмотку трансформатора из вторичной обмотки сопротивление R Н было равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи R вн.к. или соизмеримо с ним. Тогда при заданных R Н и R eH , K задача сводится к определению коэффициента трансформации к.

Известно, что U 2 /U 1 =W 2 /W 1 =k , а I 2 /I 1 =W 2 /W 1 =k . Таким образом, вносимое в первичную цепь сопротивление

Если принять , то коэффициент трансформации

т. е. трансформатор должен быть понижающим, так как R н <R вн.к .

Рассмотренные схемы предварительного и выходного каскадов УНЧ работают в режиме А. При таком режиме начальное положение рабочей точки О выбирают в середине нагрузочной прямой CD. Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока при этом меньше тока покоя коллектора. Работа в режиме А характеризуется минимальными нелинейными искажениями и низким КПД (порядка 40 %). В этом режиме обычно работают все предварительные и маломощные выходные каскады УНЧ, собранные на одном транзисторе или одной электронной лампе.

В том случае, когда необходимо получить выходную мощность более 5 Вт, применяют

двухтактные усилители, собранные на двух транзисторах или двух лампах.

Рассмотрим работу такого усилителя на транзисторах (рис.29). Усилитель состоит из двух одинаковых половин, каждая из которых аналогична усилителю, представленному на рис. 28.

Особенность двухтактной схемы состоит в том, что ее можно использовать в таком режиме, когда ток покоя коллекторных цепей близок к нулю. Этот режим называется режимом В. При работе в таком режиме КПД усилителя может достигать 70%.Рабочая точка 0’ на входной характеристике должна распологаться в области токов базы, близких к нулю (рис. 30, а). В результате этого обе половины схемы работают поочередно, причем каждаяоткрывается во время действия положительных полупериодов входных напряжений и вх1 и и вх2 , так как они сдвинуты по фазе на 180̊. Импульсы тока баз и коллекторов также сдвинуты на 180̊ (рис. 30, б, в). При этом в магнитопроводе Т р2 образуетсямагнитный поток, близкий к синусоидальному, так как через первичную обмотку трансформатора проходит ток i = i k 1 – i k 2 (рис. 30, г).

1. Обзор усилителей.

Большинство усилителей состоит из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление и обычно называемых каскадами. Число устанавливаемых каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления и от единичных (собственных) коэффициентов усиления дискретных элементов, составляющих каскад.

Каскадную схему усилителя можно представить в виде функционально отличных каскадов усиления: предварительного усиления, промежуточного усиления и выходного усилителя (мощности).

Предварительный усилитель обеспечивает непосредственную связь источника сигнала и усилительного устройства. Поэтому важнейшее требование, которому он должен соответствовать, - минимальное ослабление входного сигнала. Для этого предварительный усилитель должен обладать большим входным сопротивлением, при условии, что это сопротивление должно быть, существенно, сопротивления источника сигнала. В этом случае изменения входного напряжения усилителя будут стремиться к изменению э.д.с. источника в его входной цепи. Основное требование, предъявляемое предварительному каскаду (усилителю), - обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при его минимальных искажениях. Предварительный усилитель как дискретный элемент также называют входным каскадом.

Промежуточный усилитель выполняет роль буферного каскада между предварительным и выходным усилителями. Основная его задача – согласование выхода входного каскада с входом выходного усилителя (мощности).

Выходной каскад предназначен для получения на выходе усилительного устройства, мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устройства, выполняющего определенные функции. Поэтому в отличие от предварительного и промежуточного каскадов, выходная мощность которых сравнительно не велика, основным параметром выходного каскада является КПД.

Применяемые на практике транзисторные усилители мощности классифицируются на одно- и двухтактные. Однотактные усилители мощности используют для работы с нагрузочными устройствами, мощность которых составляет единицы ватт. При больших значениях мощности нагрузочных устройств применяют двухтактные усилители.

Следует отметить, что наличие трех разнотипных функциональных каскадов – предварительного, промежуточного и выходного – не являются обязательным. Существуют усилители, в которых нет ярко выраженных разграничительных признаков для предварительного и промежуточного каскадов, они могут быть совмещены в одном каскаде. То же самое относится к промежуточному и выходному каскадам, которые также можно объединять.

Схемы усилительных каскадов могут быть выполнены в разнообразных вариантах. Они могут отличаться числом и режимом работы используемых усилительных элементов при усилении переменного сигнала. Возможно несколько принципиально различных режимов работы усилителя, называемых классами усиления:

а) класс А – ток в выходной цепи усилителя (транзистора) протекает в течении всего периода изменения напряжения входного сигнала; точка покоя находится в средней части нагрузочной характеристики; режим характеризуется низким КПД (не боле 0,5) и низким значением коэффициента нелинейных искажений kf;

б) класс В – ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, при этом точка покоя фактически находится в режиме отсечки транзистора в режиме; этот класс является предпочтительным для использования в усилителях средней и большой мощности; КПД каскада может достигать в этом классе значения 0,7 и более, однако он имеет очень высокий из всех классов коэффициент нелинейных искажений, за счет ступеньки на выходе каскада;

в) класс АВ – ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала; точка покоя находится ниже средней точки нагрузочной характеристики; класс получил широкое распространение, так как при высоком КПД он обеспечивает получение небольших нелинейных искажений выходного сигнала;

г) класс С – ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале, меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала; распространен в мощных резонансных усилителях, но параметрам близок к классу В;

д) класс D – режим, при котором транзистор каскада может находиться только в состоянии включено (режим насыщения) или выключено (режим отсечки); КПД такого усилителя близок к единице; наиболее распространен – в цифровых схемах, транзисторных ключах.

Выбор того и иного режима работы усилительного каскада определяется исходя из требуемых значений коэффициента нелинейных искажений kf и КПД.

Основным направлением в разработке современных дискретных усилительных элементов является изучение их основных характеристик, таких как качество усиления, КПД, массогабаритные показатели и др. В интегральных исполнениях важнейшими показателями являются размеры элементов и их надежность. Типичные размеры логического транзисторного элемента современных процессоров 25-13 мкм. Особые перспективы в этом направлении молекулярная и атомная наносборка, то есть фактический предел в единицы нанометров.

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ

Структурная схема усилителя строится на основании общих принципов построения УНЧ (усилителя низкой частоты). В соответствии с чем усилитель имеет входной каскад, несколько каскадов предварительного усиления и выходной каскад. Для обеспечения термостабилизации режима покоя усилителя и требуемого коэффициента усиления, усилитель охвачен отрицательной обратной связью, при этом тип ООС зависит от схемы входного каскада.

Структурная схема усилителя изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема усилителя.

где ВхК – входной каскад;

КПУ – каскад предварительного усиления;

ВК – выходной каскад;

ООС – отрицательная обратная связь.

Усилитель работает следующим образом. Входной сигнал поступает на вход входного каскада ВхК, усиливается по напряжению. С выхода входного каскада сигнал поступает на вход каскадов предварительного усиления КПУ. С выхода последнего предварительного каскада сигнал с амплитудой напряжения близкой к Uнmax поступает на вход выходного каскада ВК, усиливается п току и мощности и передается в нагрузку.

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛТЕЛЯ.

3.1Выбор режима работы и схемы выходного каскада.

Согласно техническому заданию коэффициент нелинейных искажений должен быть не более 0,12 %, а КПД не должен быть ниже 45%. Этим условиям соответствует режим работы выходного каскада в классе АВ с введением отрицательной обратной связи.

Так как мощность, которую необходимо передавать в нагрузку с выходного каскада не велика (мощность в нагрузке 50 Вт), выходной каскад согласно классу работы АВ должен быть построен по двухтактной схеме.

Принципиальная схема выходного каскада приведена на рисунке 2.

Выходной каскад собран на транзисторах VT6…VT11. Транзисторы VT6 и VT10, а также VT7 и VT11 собраны, соответственно, по схеме составного транзистора. Данное схемное решение обусловлено техническим заданием, согласно которому КПД схемы должен быть не менее 45%. Без необходимого коэффициента передачи выходных транзисторов данное условие не выполняется. Соответствующие расчеты будут приведены ниже.

Такие достоинства полевых транзисторов, как малые нелинейные искажения, высокое входное сопротивление и низкий уровень шумов, делают их весьма привлекательными для использования в каскадах предварительного усиления УМЗЧ. Однако широкое применение этих транзисторов в таких устройствах сдерживается из-за сравнительно малого предельно-допустимого напряжения сток-исток.

Избавиться от этого недостатка позволяет включение транзисторов предварительного усилителя по каскодной схеме ОИ-ОБ (общий исток— общая база). В публикуемой статье предлагается один из вариантов УМЗЧ с входным каскадом, построенным по схеме ОИ-ОБ.

Принципиальная схема УМЗЧ

Принципиальная схема УМЗЧ показана на рисунке. Симметричный входной каскад усилителя выполнен на транзисторах ѴТ1—ѴТ4, включенных по схеме ОИ-ОБ. Предоконечный каскад УМЗЧ собран на транзисторах ѴТ5, ѴТ6, а выходной — на транзисторах ѴТ8—ѴТ13 по стандартной схеме.

Усилитель охвачен цепью ООС, глубина которой по переменному току составляет 32 дБ. Все его каскады работают в симметричном режиме, что позволило получить коэффициент гармоник при выходной мощности 40 Вт без ООС около 1%.

Для питания усилителя необходимо иметь два источника: стабилизированный напряжением +34 В и нестабилизированный +32 В. При питании от указанных источников усилитель обеспечивает получение следующих технических характеристик:

• номинальное входное напряжение — 0,8 В;
• входное сопротивление — 440 кОм;
• номинальная выходная мощность при коэффициенте гармоник 0,5% и сопротивлении нагрузки 4 Ома — 50 Вт;
• коэффициент гармоник при выходной мощности 0,1...35 Вт на частоте 1000 Гц — 0,07%, 20 000 Гц— 1%,
• скорость нарастания выходного напряжения (без цепи R1C2)—40 В/мкс;
• отношение сигнал/шум — 86 дБ.

В усилителе использованы постоянные резисторы МЛТ-0,5 (R3, R22, R25) и МЛТ-0,25 (остальные); подстроечные (R5, R14) -СПЗ-16; R26, R27 — проволочные. Конденсаторы С1 и С7 — МБМ; С2, С4—С6 — КТ-1, СЗ — оксидный К50-6.

Транзисторы КПЗОЗД заменят КП303Г и КП303Е; КП103М — КП103Л; КТ3102А — КТ3102Б; КТ3107А— КТ3107Б; КТ502Е — КТ502Д; КТ503Е — КТ503Д; КТ814Г — КТ814В, КТ816В и КТ816Г; КТ815Г — КТ815В, КТ817В и КТ817Г; КТ818Г — КТ818В; КТ819Г — КТ819В.

Транзисторы ѴТ2 и ѴТЗ необходимо подобрать по токам стока. При напряжении стока Uc = =8,5 В и нулевом напряжении на затворе они должны находиться в пределах 5,5...6,5 мА.

Транзисторы VT12, VT13 размещают на теплоотводах площадью 1000 см2 каждый. К одному из теплоотводов следует приклеить транзистор VT7.

Налаживание

Налаживание усилителя начинают с установки нулевого напряжения на выходе усилителя с помощью резистора R5. Затем резистором R14 устанавливают ток покоя выходных транзисторов равным 200 мА. В заключение, подавая на вход усилителя прямоугольные импульсы амп-
литудой 0,5 В и частотой 1 кГц, подбором конденсатора С4 добиваются отсутствия выбросов на переходной характеристике усилителя.

В. Орлов, г. Москва.

При расчете усилительных каскадов на полупроводниковых элементах нужно знать много теории. Но если требуется сделать простейший УНЧ, то достаточно подобрать транзисторы по току и коэффициенту усиления. Это основное, нужно еще определиться с тем, в каком режиме должен работать усилитель. Это зависит от того, где планируется его использовать. Ведь усиливать можно не только звук, но и ток - импульс для управления каким-либо устройством.

Виды усилителей

Когда реализуются конструкции усилительных каскадов на транзисторах, нужно решить несколько важных вопросов. Сразу определитесь с тем, в каком из режимов будет работать устройство:

1. А - линейный усилитель, на выходе присутствует ток в любой момент времени работы.
2. В - ток проходит только в течение первого полупериода.
3. С - при высоком КПД нелинейные искажения становятся сильнее.
4. D и F - режимы работы усилителей в режиме «ключа» (переключателя).

Распространенные схемы транзисторных усилительных каскадов:

1. С фиксированным током в цепи базы.
2. С фиксацией напряжения в базе.
3. Стабилизация коллекторной цепи.
4. Стабилизация эмиттерной цепи.
5. УНЧ дифференциального типа.
6. Двухтактные усилители НЧ.

Чтобы понять принцип работы всех этих схем, нужно хотя бы вкратце рассмотреть их особенности.

Фиксация тока в цепи базы

Это самая простая схема усилительного каскада, которая может использоваться в практике. За счет этого ее широко используют начинающие радиолюбители - повторить конструкцию не составит труда. Цепи базы и коллектора транзистора запитаны от одного источника, что является преимуществом конструкции.

Но у нее имеются и недостатки - это сильная зависимость нелинейных и линейных параметров УНЧ от:

1. Питающего напряжения.
2. Степени разброса параметров полупроводникового элемента.
3. Температуры - при расчете усилительного каскада обязательно нужно учитывать этот параметр.

Недостатков довольно много, они не позволяют применять такие устройства в современной технике.

Стабилизация напряжения базы

В режиме А могут работать усилительные каскады на биполярных транзисторах. А вот если осуществить фиксацию напряжения на базе, то можно использовать даже полевики. Только это будет фиксация напряжения не базы, а затвора (названия выводов у таких транзисторов другие). В схему вместо биполярного элемента устанавливается полевой, ничего переделывать не придется. Нужно только подобрать сопротивления резисторов.

Стабильностью такие каскады не отличаются, основные его параметры при работе нарушаются, причем очень сильно. Ввиду крайне плохих параметров такая схема не используется, вместо нее лучше на практике применить конструкции со стабилизацией цепей коллектора или эмиттера.

Стабилизация коллекторной цепи

При использовании схем усилительных каскадов на биполярных транзисторах со стабилизацией коллекторной цепи получается сохранить на его выходе около половины от значения напряжения питания. Причем происходит это в относительно большом диапазоне питающих напряжений. Делается это за счет того, что имеется отрицательная обратная связь.

Такие каскады получили широкое распространение в усилителях высоких частот - УРЧ, УПЧ, буферных устройствах, синтезаторах. Такие схемы применяются в передатчиках (включая мобильные телефоны). Сфера применения таких схем очень большая. Конечно, в мобильных схема реализуется не на транзисторе, а на составном элементе - один маленький кристалл кремния заменяет огромную схему.

Эмиттерная стабилизация

Эти схемы можно часто встретить, так как у них имеются явные преимущества - высокая стабильность характеристик (если сравнивать со всеми теми, о которых было рассказано выше). Причина - очень большая глубина обратной связи по току (постоянному).

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, выполненные со стабилизацией эмиттерной цепи, используются в радиоприемниках, передатчиках, микросхемах для повышения параметров устройств.

Дифференциальные усилительные устройства

Дифференциальный усилительный каскад используется довольно часто, у таких устройств очень высокая степень устойчивости к помехам. Для питания таких устройств можно применять низковольтные источники - это позволяет уменьшить габариты. Дифусилитель получается, если соединить эмиттеры двух полупроводниковых элементов на одном сопротивлении. «Классическая» схема дифференциального усилителя представлена на рисунке ниже.

Такие каскады очень часто применяются в интегральных микросхемах, операционных усилителях, УПЧ, приемниках ЧМ-сигналов, радиотрактах мобильных телефонов, смесителях частот.

Двухтактные усилители

Двухтактные усилители могут работать в практически любом режиме, но чаще всего используется В. Причина - эти каскады устанавливаются исключительно на выходах устройств, а там нужно повышать экономичность, чтобы обеспечить высокий уровень КПД. Реализовать схему двухтактного усилителя можно как на полупроводниковых транзисторах с одинаковым типом проводимости, так и с разным. «Классическая» схема двухтактного представлена на рисунке ниже.

Независимо от того, в каком режиме работы усилительный каскад находится, получается существенно уменьшить количество четных гармоник во входном сигнале. Именно это является главной причиной широкого распространения такой схемы. Двухтактные усилители часто используются в КМОП-элементах и прочих цифровых элементах.

Схема с общей базой

Такая схема включения транзистора встречается относительно часто, она является четырехполюсником - два входа и столько же выходов. Причем один вход является одновременно и выходом, соединяется с выводом «база» транзистора. К ней подключается один вывод от источника сигнала и нагрузка (например, динамик).

Чтобы запитать каскад с общей базой, можно применить:

1. Схему фиксации тока базы.
2. Стабилизацию напряжения базы.
3. Коллекторную стабилизацию.
4. Эмиттерную стабилизацию.

Особенность схем с общей базой - очень низкое значение входного сопротивления. Оно равно сопротивлению эмиттерного перехода полупроводникового элемента.

Схема с общим коллектором

Конструкции такого типа тоже используются довольно часто, это четырехполюсник, у которого два входа и столько же выводов. Очень много сходств со схемой усилительного каскада с общей базой. Только в этом случае коллектор является общей точкой подключения источника сигнала и нагрузки. Среди преимуществ такой схемы можно выделить ее высокое сопротивление по входу. Благодаря этому она часто применяется в усилителях низких частот.

Для того чтобы запитать транзистор, необходимо использовать стабилизацию по току. Для этого идеально подходит эмиттерная и коллекторная стабилизация. Нужно учесть, что такая схема не может инвертировать входящий сигнал, не усиливает напряжение, именно по этой причине ее называют «эмиттерным повторителем». Такие схемы имеют очень большую стабильность параметров, глубина ОС по постоянному току (обратной связи) почти 100%.

Общий эмиттер

Усилительные каскады с общим эмиттером имеют очень большой коэффициент усиления. Именно с использованием таких схемных решений строятся высокочастотные усилители, используемые в современной технике - системах GSM, GPS, в беспроводных сетях Wi-Fi. У четырехполюсника (каскада) имеется два входа и столько же выходов. Причем эмиттер соединен одновременно с одним выводом нагрузки и источника сигнала. Для питания каскадов с общим эмиттером желательно использовать двухполярные источники. Но если это сделать невозможно, допускается использование однополярных источников, только добиться высокой мощности вряд ли получится.