Что такое усилитель?

Усилитель — это устройство, предназначенное для увеличения уровня электрического сигнала за счет энергии источника питания.

 

Как классифицируются усилители?

Классификацию усилителей можно проводить исходя из различных критериев. Сточки зрения усиливаемого электрического параметра (напряжение, ток, мощность) различают усилители напряжения, тока и мощности. В зависимости от диапазона усиливаемых частот они подразделяются на усилители постоянного тока (медленных электрических колебаний), низкой (звуковой) и высокой частот. Последние могут быть выполнены как широкополосные или нерезонансные усилители, предназначенные для усиления определенной полосы частот.

Существует много других методов деления усилителей на группы, которые, однако, в процессе их систематизации имеют меньшее значение. Различают, например, транзисторные и ламповые усилители классов А, В, С, у которых принадлежность к данному классу определяется положением рабочей точки на характеристике управления активного элемента; усилители, название которых зависит от их применения, а именно антенные усилители, видеоусилители и т. п.

 

Что такое нерезонансные усилители?

Нерезонансные усилители не содержат элементов, подлежащих подстройке. Это в основном усилители различного назначения. Их общей чертой является усиление сигналов с широкой полосой частот от постоянного тока или очень низких частот до частот 10–20 кГц или даже нескольких десятков мегагерц. Ясно, что нерезонансные усилители могут относиться к любой из ранее упомянутых групп, например, может быть усилитель звуковых частот, класса А, транзисторный.

 

Какую принципиальную схему имеет однокаскадный усилитель и каковы его основные параметры?

Однокаскадным называется усилитель, содержащий одни активный элемент: лампу, биполярный или полевой транзистор. На рис. 7.1 представлена принципиальная схема подобного усилителя. Помимо активного элемента, символически обозначенного прямоугольником, она содержит входную цепь с источником управляющего напряжения или тока, а также выходную цепь с сопротивлением нагрузки Z н .

Рис. 7.1. Схема однокаскадного усилителя

Основными параметрами, характеризующими схему, являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление. В зависимости от рассматриваемой электрической величины различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Коэффициент усиления по напряжению — это отношение выходного напряжения к входному

Ku = u вых /u вх

Аналогично коэффициент усиления по току определяется отношением выходного тока к входному

Ki = i вых /i вх

Произведение этих величин дает коэффициент усиления по мощности, являющийся частным от деления выходной мощности на входную мощность.

Kp = P вых /P вх  = u вых ·i вых /u вх ·i вх =K u ·K i

Следует подчеркнуть, что полученная на выходе усилителя мощность всегда больше мощности, подведенной к входу усилителя.

Входное сопротивление равно отношению входного напряжения к входному току

Z вх = u вх /i вх

а выходное сопротивление — отношение выходного напряжения выходному току

Z вых = u вых /i вых

Значения всех указанных параметров зависят от вида используемого активного элемента (лампа, транзистор) нагрузки, а также схемы включения (схема ОЭ, ОБ или ОК). Чаще всего эти параметры являются функциями параметров активного элемента и сопротивления нагрузки.

 

Что такое частотная характеристика усилителя?

Это характеристика, изображающая зависимость коэффициента усиления от частоты входного синусоидального сигнала. В большинстве усилителей сигналы малы, причем высокие частоты усиливаются не так, как сигналы средних частот. Поскольку коэффициент усиления является комплексным, то изменению, по сравнению с входным сигналом, подвергаются как амплитуда, так и фаза выходного сигнала. Поэтому различают две частотные характеристики: амплитудно-частотную и фазочастотную характеристику, кратко называемые также амплитудной и фазовой характеристиками. Примеры подобных характеристик представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Амплитудная ( а ) и фазовая ( б ) характеристики усилителя переменного тока низкой частоты

При построении частотных характеристик по оси абсцисс откладывают частоту f или угловую частоту ω, а по оси ординат для амплитудных характеристик откладывают численные значения коэффициента усиления, а для фазовых — фазовый угол в градусах или радианах. Удобнее воспользоваться логарифмической шкалой. Тогда по шкале абсцисс откладывают не частоту, а ее десятичный логарифм (lg f), а по оси ординат — коэффициент усиления, выраженный в децибелах. Амплитудная и фазовая характеристики определяют способность усилителя пропускать сигнал с определенным частотным спектром.

Для усилителя звуковых частот представляет интерес амплитудная характеристика; а фазовая не играет существенной роли, поскольку человеческое ухо не реагирует на небольшие фазовые сдвиги звуковых сигналов. Иначе обстоит дело для видеоусилителя. Фазовая характеристика имеет такое же значение, как и амплитудная, поскольку человеческий глаз реагирует на малые фазовые сдвиги отдельных составляющих сигнала изображения.

 

Что такое ширина полосы пропускания усилителя?

Из-за того что усилитель не усиливает одинаково сигналы различных частот, возникает необходимость уточнения способности усилителя усиливать определенные полосы частот. Эта способность выражается с помощью ширины полосы, определяемой как разность частот между двумя точками амплитудной характеристики, для которых коэффициент усиления на 3 дБ меньше, чем на средних частотах. Одна из этих точек, расположенная в этой части характеристики отражает в диапазоне более низких частот, соответствует на оси частот нижней граничной частоте f н (рис. 7.3), тогда как другая точка — соответственно верхней граничной частоте f в . Разность этих частот и является шириной полосы пропускания, которую обычно обозначают буквой В или Δf:

Δf = В = f в — f н

Рис. 7.3. Амплитудная характеристика низкочастотного усилителя с граничными частотами f н и f в

Точки на амплитудной характеристике, в которых усиление (по напряжению и по току) снижается на 3 дБ, называются точками половинной мощности, поскольку соответствующая им мощность уменьшается в 2 раза.

В зависимости от применения усилители могут иметь различную ширину полосы пропускания. Полоса пропускания усилителей звуковых частот, используемых, например, в радиоприемниках и электроакустических устройствах, лежит в полосе от нескольких десятков герц до 10–20 кГц, тогда как в видеоусилителях, предназначенных для усиления сигналов изображения с широким частотным спектром, — от нескольких герц до нескольких мегагерц (например, 6 МГц).

Оба упомянутых усилителя относятся к усилителям типа фильтров нижних частот, поскольку пропускают сигналы с очень низкими частотами. Именно поэтому в подобных усилителях за ширину полосы пропускания принимают значение верхней граничной частоты f в , поскольку разность верхней и нижней граничных частот f в — f н незначительно меньше частоты f в .

 

Что понимается под терминами: диапазоны низких, средних и высоких частот усилителя?

При анализе изменения коэффициента усиления усилителя в функции частоты удобно разделить весь диапазон частот, пропускаемых усилителем, на три поддиапазона: низких, средних и высоких частот. Диапазон низких частот простирается от нуля до частоты, в 10 раз большей нижней граничной частоты f н . В этом диапазоне амплитудная характеристика обычно спадает при уменьшении частоты.

Аналогично диапазон высоких частот охватывает область от частот, в 10 раз меньшей верхней граничной частоты вплоть, до f в . В этом диапазоне амплитудная характеристика также спадает, но при увеличении частоты. Между указанными диапазонами располагается диапазон средних частот, в котором амплитудная характеристика плоская. Следует подчеркнуть, что термин «диапазон высоких частот» означает частоты, большие по сравнению со средними частотами. В действительности, например в случае усилителей звуковых частот, эти частоты могут быть малыми, около нескольких килогерц.

 

Что такое искажения, вносимые усилителем?

Искажением называется изменение формы сигнала после прохождения этого сигнала через усилитель. Если форма выходного сигнала отличается от формы входного, то говорят, что усилитель вносит искажения. Очевидно, что изменение значения амплитуды но является искажением. Различают два основных вида искажений — линейные и нелинейные.

 

Что такое амплитудные линейные искажения усилителя?

Усилитель вносит в сигнал линейные амплитудные искажения в том случае, если ширина его полосы пропускания оказывается недостаточной по отношению к частотному спектру усиливаемого сигнала. Электрические сигналы могут иметь различную форму синусоидальную, прямоугольную, трехугольную, пилообразную и т. п.

Каждый из этих сигналов можно представить как сумму синусоидальных сигналов: сигнала основной частоты f и гармонических сигналов, частоты которых являются кратными основной частоте, т. е. равны 2f, 3f и т. д. Для правильного представления (воспроизведения) сигнала сложной формы обычно достаточно десяти гармоник сигнала основной частоты. Например, если усиливается прямоугольный сигнал с частотой 15 кГц, то ширина полосы пропускания усилителя должна составлять 150 кГц. В этом случае на выходе усилителя также получим прямоугольный сигнал. Если бы полоса пропускания усилителя составляла 15 кГц, на выходе вместо прямоугольного колебания мы бы получили синусоидальное колебание с частотой 15 кГц (рис. 7.4).

Высшие гармонические составляющие сигнала усилителем не были бы пропущены. При более широкой полосе усилителя, например 50 кГц, выходной сигнал был бы уже более похож на прямоугольный сигнал, и лишь при полосе усилителя, соответствующей спектру сигнала, наблюдается воспроизведение на выходе входного сигнала. Следовательно, линейные амплитудные искажения наблюдаются в том случае, когда коэффициент усиления усилителя не является постоянным в достаточно широком диапазоне частот.

Рис. 7.4. Электрические колебания на входе и выходе усилителя:

а — входное прямоугольное колебание с частотой 15 кГц, б и в — колебания на выходе усилителя с шириной полосы соответственно 15 и 150 кГц

 

Что такое линейные фазовые искажения усилителя?

К линейным искажениям относятся также фазовые искажения, которые наблюдаются в том случае, когда фазы сигналов различных частот, образующих сложный (составной) сигнал, например прямоугольной формы, оказываются сдвинутыми на разное значение. Поскольку прямоугольный сигнал является суммой синусоидальных сигналов с определенными фазовыми сдвигами, то нарушение фазовых соотношений этих сигналов на выходе усилителя не позволит вновь получить прямоугольный сигнал. Можно доказать, что только усилитель с линейной фазовой характеристикой не вносит фазовых искажений.

 

Что такое динамическая характеристика усилителя?

Динамическая характеристика усилителя — это график, представляющий собой зависимость выходного напряжения (тока) усилителя от входного напряжения (тока) (рис. 7.5). При правильно выбранной рабочей точке усилителя (на линейном участке его рабочей характеристики) выходное напряжение является линейной функцией входного напряжения. В связи с этим динамическая характеристика проходит вдоль прямой линии, наклоненной под некоторым углом к оси U вх . При увеличении входного напряжения свыше определенного значения в результате нелинейности характеристик ламп или транзисторов динамическая характеристика изгибается и становится горизонтальной линией, параллельной оси U вх .

Рис. 7.5. Динамическая характеристика усилителя

В усилительных устройствах нас интересует только линейный участок динамической характеристики. Чем он больше, т. е. чем больший диапазон входных напряжений он охватывает, тем больше динамический диапазон усиления. Если выходное напряжение перестает линейно зависеть от входного, то возникают искажения, а об усилителе говорят, что он работает в режиме насыщения.

 

Что такое нелинейные искажения?

Нелинейные искажения связаны с нелинейностью динамической характеристики усилительной схемы. Если поданый на вход усилителя сигнал имеет слишком большую амплитуду, превышающую линейный диапазон возбуждения усилителя, возникают искажения вершин усиливаемого сигнала. В качестве примера рассмотрим сеточную характеристику лампы, работающей в схеме усилителя (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Возникновение нелинейных искажений в усилителе

Рабочая точка лампы находится на середине линейного участка характеристики. Синусоидальный входной сигнал, амплитуда которого не выходит за линейный участок характеристики, вызывает протекание синусоидального тока через лампу и в результате — появление синусоидального напряжения на сопротивлении нагрузки. Если амплитуда возбуждающего (входного) сигнала увеличивается так, что максимальные значения сигнала превышают напряжение, соответствующее верхнему загибу характеристики, и напряжение отсечки, то на выходе появится колебание со срезанными вершинами сигнала. Такого вида сигнал может быть представлен как сумма синусоидального сигнала основной частоты и множества сигналов, частоты которых кратны основной частоте (гармоникам). Поскольку гармоники во входном сигнале отсутствовали, то они возникли в усилителе. Их присутствие в выходном сигнале поясняет другое название нелинейных искажений — искажения из-за гармоник.

 

Что такое каскадное соединение усилителей?

Каскадным соединением усилителей называется группа ступеней усилителя, в которой сигнал, полученный на выходе первой ступени усиления, возбуждает вторую. В свою очередь сигнал, полученный на ее выходе, возбуждает третью ступень и т. д. вдоль всей цепочки.

Основной чертой усилителя, состоящего из нескольких каскадов, является большее усиление, чем у одиночного. Полный коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов или равен их сумме, если усиление каждого каскада выражено в децибелах. Однако каскадное соединение усилителей приводит к уменьшению общей полосы пропускания.

В качестве примера рассмотрим два одинаковых усилительных каскада с определенной верхней граничной частотой f в . Этой частоте соответствует на 3 дБ меньшее усиление, чем на средних частотах. Падение усиления каскадного соединения двух ступеней при граничной частоте каждой из ступеней будет равно уже 6 дБ, т. е. новая граничная частота будет ниже. В связи с этой особенностью каскадного соединения ширина полосы каждого усилительного каскада должна быть большей, чтобы общая ширина полосы имела заданное значение.

В общем случае в каскадном соединении отдельных усилителей можно выделить входной каскад с низким уровнем сигнала, непосредственно взаимодействующего с источником возбуждения, средние и выходной каскады, взаимодействующие с нагрузкой, уровень сигнала в которых является наибольшим. В связи с этим требования к отдельным каскадам различны. Во входном существенную роль может играть входное сопротивление и шумовые свойства. В средних каскадах основное значение имеют коэффициент усиления и частотная характеристика. Наконец, для выходного важны вид выхода (симметричный или несимметричный), выходное сопротивление и уровень нелинейных искажений.

 

Что такое межкаскадная связь?

Это способ соединения отдельных каскадов для передачи выходного сигнала одного каскада в другой. Непосредственная связь коллектора одного каскада с базой второго не применяется, поскольку коллектор и база транзистора требуют подачи постоянных напряжений с сильно отличающимися значениями. Поэтому непосредственную связь используют исключительно в усилителях, предназначенных для усиления очень низких частот. Наиболее часто применяемыми способами связи являются емкостная и трансформаторная.

 

Что такое резистивный усилитель с емкостной связью?

Резистивный усилитель с емкостной связью, называемый также RС-усилителем, — основная схема. На рис. 7.7 представлена его принципиальная схема на транзисторе. Название схемы связано с характером сопротивления нагрузки (сопротивление R к ) и емкостной связью обсуждаемого каскада с источником сигнала либо предыдущим каскадом и нагрузкой следующего каскада (конденсаторы С 1 и С 2 ). Транзистор работает по схеме с ОЭ. Эту схему наиболее часто используют, поскольку она дает большой коэффициент усиления по напряжению и току, а следовательно, и большое усиление по мощности.

Рабочую точку транзистора определяют резисторы R 1 , R 2 , R э , R к , причем делитель R 1 R 2 определяет напряжение смещения базы, а падение напряжения, возникающее в результате протекания тока эмиттера через резистор R э , — напряжение эмиттера. При заданном напряжении коллектора, равном разности между напряжением питания и падениями напряжений на резисторах R к и R э , устанавливается определенный ток базы.

Параметры элементов, определяющие положение рабочей точки на рабочей характеристике транзистора, обычно подобраны таким образом, чтобы рабочая точка находилась на прямолинейном участке характеристики. Это означает, что при достаточно малых возбуждающих сигналах усилитель работает в классе А и может рассматриваться как линейная схема. Резистор R э выполняет, кроме того, функции резистора, стабилизирующего рабочую точку транзистора. Для исключения отрицательной обратной связи по переменному току этот резистор обычно шунтируется конденсатором С э большой емкости.

В представленной на рис. 7.7 схеме резистор R вх2 символизирует входное сопротивление следующего каскада, которое является параллельным соединением резисторов в цепи базы и входного сопротивления транзистора следующего каскада.

Рис. 7.7. Резистивный усилитель с емкостной связью

В диапазоне средних частот, в котором влиянием действующих в схеме емкостей можно пренебречь, усиление схемы по напряжению выражается следующей формулой:

в которой h 21э — коэффициент передачи по току при коротком замыкании в схеме с ОЭ при малом сигнале; h 11э — входное сопротивление при коротком замыкании в схеме ОЭ при малом сигнале; R вых — сопротивление, полученное при параллельном соединении резисторов R к и R вх2 . Знак минус в формуле означает, что фаза выходного напряжения повернута на 180 относительно входного напряжения. Сопротивление R вых не зависит от выходного сопротивления транзистора. Действительно, выходное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ велико, и в связи с этим им можно пренебречь.

В противоположность выходному сопротивлению входное сопротивление транзистора мало и поэтому оказывает существенное влияние на R вых  в схеме, нагрузкой которой является следующий каскад усиления. Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ примерно равно h 11э . Входное сопротивление транзисторного каскада также снижается из-за шунтирующего влияния параллельного соединения резисторов цепи смещения базы.

 

От чего зависит верхняя граничная частота в резистивном усилителе с емкостной связью?

При заданном сопротивлении нагрузки усилительного каскада верхняя граничная частота резистивного усилителя зависит от емкости шунтирующей это сопротивление. На рис. 7.7 эта емкость не приведена, поскольку она не оказывает влияния на усиление в диапазоне средних частот, так же как и емкости связи и емкость, включенная параллельно резистору в цепи эмиттера. Цепь, на которую нагружен каскад усиления в диапазоне высоких частот, представлена на рис. 7.8, а. Помимо емкостей, указанных на рис. 7.7, имеются дополнительно выходная емкость транзистора С вых , входная емкость следующего каскада С вх , а также емкость рассеяния С m , которую образуют собственные емкости компонентов и соединительных проводов. Пренебрегая реактивным сопротивлением конденсатора С с2 , которое в диапазоне высоких частот мало, можем представить нагрузку усилителя в виде сопротивления R с подключенной параллельно ему емкостью С 0 . Переменный ток транзистора i протекает через обе ветви цепи. В диапазоне средних частот, где реактивное сопротивление конденсатора С 0 велико, практически весь ток протекает через сопротивление R экв . Поскольку падение напряжения на сопротивлении R экв является выходным напряжением, то в диапазоне средних частот оно имеет максимальное значение.

Рис. 7.8. Эквивалентная схема ( а ) и диаграмма токов ( б ) на частоте f h11  RC-усилителя

Реактивное сопротивление конденсатора С 0 обратно пропорционально частоте. При некоторой частоте оно становится равным сопротивлению R экв . В этом случае полный ток делится на две части, равные 0,707 значения тока транзистора i, что следует из векторной диаграммы, приведенной на рис. 7.8, б. В соответствии с законом Ома падение напряжения на сопротивлении R экв меняется таким же образом. Спад до 0,707 означает спад на 3 дБ относительно значения, действующего в диапазоне средних частот. Поэтому частота, на которой X с0 = R экв . является граничной частотой f в . Эту частоту можно определить, приравняв друг другу X с0 и R экв и решив полученное уравнение относительно f в :

f в = 1/2πR экв С 0

Из анализа этого уравнения следует, что при заданной емкости С0 увеличение верхней граничной частоты, а следовательно, расширение полосы усилителя возможно лишь за счет уменьшения сопротивления нагрузки R экв . Выше частоты f в реактивное сопротивление X с0 меньше сопротивления R экв и поэтому амплитудная характеристика имеет резкий спад.

Коэффициент усиления резистивного усилителя с емкостной связью в диапазоне высоких частот можно рассчитать по следующей формуле:

где К u — коэффициент усиления усилителя в диапазоне средних частот; f — частота, для которой определяют усиление. Видно, что при f = f в  К' u = 0,707·К u .

Емкость, шунтирующая резистор нагрузки, оказывает также влияние на фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. Угол фазового сдвига убывает с ростом частоты и при частоте f в составляет 135°, т. е. на 45° меньше угла в диапазоне средних частот.

Эти рассуждения относятся к усилителям с относительно малыми верхними граничными частотами. Для усилителей с очень большой шириной полосы пропускания, в которых сопротивление R экв  имеет малое значение, усиление в диапазоне высоких частот в большей степени зависит от изменений коэффициента h 21б транзистора с частотой, чем от емкости С 0 .

 

От чего зависит нижняя граничная частота в резистивном усилителе с емкостной связью?

Нижняя граничная частота зависит от постоянных времени цепи эмиттера и цепи связи. Постоянной времени (поскольку она имеет размерность «секунда») называется произведение сопротивления резистора и емкости конденсатора. Влияние постоянной времени R э C э сказывается в росте сопротивления в цепи эмиттера при уменьшении частоты. При этом возникает отрицательная обратная связь, приводящая к снижению коэффициента усиления. Если емкость конденсатора С э велика (около 100 мкФ), то нижняя граничная частота зависит главным образом от постоянной времени цепи связи.

Цепь, на которую нагружен усилитель в диапазоне низких частот, представлена на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Нагрузка RС-усилителя в диапазоне низких частот

Из-за малого входного сопротивления последующего транзисторного каскада R вх при рассмотрении цепи связи следует принимать во внимание также сопротивление R к . Одновременно с уменьшением частоты возрастает сопротивление ветви, состоящей из последовательно соединенных конденсатора С с2 и резистора R вх , и большая часть тока начинает протекать через сопротивление коллектора R к . На основе такой же векторной диаграммы, как для диапазона высоких частот, можно показать, что нижняя граничная частота, при которой усиление снижается на 3 дБ, выражается формулой

Из анализа этой формулы следует, что при заданных сопротивлениях R к  и R вх нижнюю граничную частоту можно уменьшать лишь путем увеличения емкости связи С с2 . На практике емкость связи Сс2 составляет обычно несколько десятков микрофарад.

Усиление резистивного усилителя с емкостной связью в диапазоне низких частот можно рассчитать по следующей формуле:

где К u — коэффициент усиления усилителя в диапазоне средних частот; f — частота, для которой рассчитывается усиление.

Видно, что при f = f н  К' u = 0,707·К u . Конденсатор связи Сс2 вносит в схему некоторый фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. Этот сдвиг увеличивается, если частота снижается, и при частоте f н составляет 225°, т. е. на 45° больше, чем сдвиг в диапазоне средних частот.

 

Как работает ламповый резистивный усилитель и какова его схема?

Наиболее простые схемы такого усилителя на триодах и пентодах показаны на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Триодный ( а ) и пентодный ( б ) резистивные усилители с емкостной связью

Напряжение питания около 200 В подводится между точками, обозначенными Е а , и массой схемы. Анодный ток протекает через лампы, а также резисторы R к и R а . Падение напряжения на резисторах R к обеспечивает соответствующие отрицательные сеточные напряжения, т. е. задает рабочие точки на сеточных характеристиках. Конденсаторы С к , включенные параллельно резисторам R к , имеют малое сопротивление для переменных напряжений, благодаря чему сеточные напряжения остаются постоянными. Резисторы R c — это сопротивления утечки. Они образуют цепь, по которой электроны, перехваченные управляющей сеткой лампы, могут быть отведены на катод. При отсутствии такого пути утечки накопленные на сетке электроны вызвали бы возникновение на сетке отрицательного напряжения, существенно нарушающего работу усилителя. Обычно сопротивление резистора R c не превышает 1 МОм.

В случае усилителя на пентоде для обеспечения правильной работы лампы необходимо соединить третью сетку лампы с катодом или массой, я также вторую сетку (экранную) — с источником напряжения питания Е а . Если требуемое напряжение питания второй сетки меньше, чем напряжение Е а , то ее соединяют с источником напряжения Е а через гасящий резистор R э . Экранная сетка в пентоде действует аналогично аноду, поэтому при работе лампы в качестве усилителя напряжение между экранной сеткой и массой изменяется.

Чтобы воспрепятствовать этим нежелательным изменениям, между экранной сеткой и массой включают конденсатор большой емкости. Он представляет собой короткое замыкание для переменных токов, и благодаря этому потенциал экранной сетки поддерживается на постоянном уровне.

Если на вход схемы подать переменное напряжение, то оно наложится на постоянное сеточное напряжение и вызовет изменение потенциала между сеткой и катодом. В результате изменений этого потенциала изменятся анодный ток и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении R a . Следует добавить, что выходное напряжение имеет полярность обратную полярности выходного, что для импульсных сигналов означает инверсию (поворот) фазы на 180°. Незначительное изменение напряжения в цепи сетки может вызвать изменение анодного тока на несколько миллиампер. При большом сопротивлении резистора R a на нем возникает падение напряжения, во много раз превышающее входное напряжение. Поэтому схема работает как усилитель напряжения.

Коэффициент усиления схемы в диапазоне средних частот выражается следующей формулой:

К u = — S·R a,экв

где S — крутизна сеточной характеристики лампы; R a,экв — сопротивление нагрузки лампы.

В пентодном усилителе из-за большого внутреннего сопротивления R i пентода нагрузка представляет собой параллельное сопротивление резисторов R a и R C2 ; в триодном усилителе необходимо еще учитывать включенное параллельное сопротивление R i .

Конденсаторы С с1 и С с2 являются конденсаторами связи, которые выполняют те же задачи, что и конденсаторы связи в транзисторном усилителе. Однако емкости конденсаторов из-за высокого сопротивления сеточной цепи значительно меньше и не превышают обычно 0,5 мкФ. Конденсаторы связи, блокирующие катодные резисторы, оказывают влияние на ход кривой усиления в диапазоне низких частот, тогда как входные и выходные емкости ламп, а также емкости соединительных проводников ограничивают полосу усилителя со стороны высоких частот.

 

Что такое произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания?

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы GB, называемое также площадью усиления, является параметром, определяющим способность активного элемента усиливать в широкой полосе частот. Из формулы для верхней граничной частоты, которая определяет ширину полосы, следует, что эта частота тем больше, чем меньше сопротивление R экв , являющееся нагрузкой усилителя. Однако, с другой стороны, меньшему сопротивлению соответствует меньшее усиление, и поэтому требование большой ширины полосы противоречит возможности получения большого коэффициента усиления усилителя. Оказывается, например, что для пентода произведение GB имеет постоянное значение и выражается следующей зависимостью:

B = S/2πС полн

где S — крутизна сеточной характеристики пентода; С полн — сумма емкостей, шунтирующих сопротивление нагрузки усилительного каскада.

Если S = 10 мА/В и С = 20 пФ, то GB = 80 МГц. Это означает, что при ширине полосы В = 10 МГц усиление G = 8, т. е. наблюдается «обмен» между усилением и полосой при сохранении постоянства их произведения. Проблема «обмена» усиления и полосы не очень существенна в усилителях низкой частоты, поскольку площадь усиления обычно больше требуемой. Эта проблема становится существенной и в широкополосных усилителях, в которых площадь усиления является решающим фактором, ограничивающим коэффициент усиления схемы. В триодном усилителе произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания не является постоянным. Это следует из того факта, что емкость возрастает при росте коэффициента усиления (эффект Миллера) и уменьшении ширины полосы. При больших усилениях и малых полосах площадь усиления меньше, чем в противоположном случае.

В транзисторных усилителях произведение GB также не является постоянным и достигает максимального значения при оптимальных сопротивлении резистора, шунтирующего входную цепь транзистора, коэффициенте усиления и ширине полосы. Кроме того, для получения большой площади усиления транзистор должен работать при достаточно больших токах эмиттера.

Если речь идет о полевом транзисторе, то его свойства в известной степени схожи со свойствами электронной лампы. В связи с этим произведение GB усилительного каскада на полевом транзисторе должно быть постоянным. Однако из-за значительной емкости между стоком и затвором произведение GB характеризуется такими же свойствами, как произведение GB триода.

 

Что такое широкополосный усилитель?

Широкополосный усилитель — это усилитель, используемый для усиления сигналов с широким спектром частот, часто сравнимым с площадью усиления применяемых активных элементов, ламп или транзисторов. Примером такого сигнала может быть сигнал изображения, действующий в телевизионных схемах, спектр которого охватывает частоты от нескольких герц примерно до 6 МГц, или последовательность коротких импульсов с малым временем фронта.

Основные схемы однокаскадного широкополосного усилителя не отличаются от представленных на рис. 7.7 и 7.10. Разница заключается в использовании меньших сопротивлений нагрузки и подборе соответствующих усилительных элементов. Для ламповой схемы применяют пентоды с большим отношением крутизны к параллельной емкости (S/С), а для транзисторной — транзисторы, характеризующиеся большим значением граничной частоты f гр .

 

Что такое временная характеристика усилителя?

Временной характеристикой усилителя называется отклик усилителя на заданный эталонный входной импульс. За эталонный импульс чаще всего принимают единичный скачок или скачок напряжения от 0 до 1 за бесконечно малый промежуток времени. На практике это импульс с очень коротким временем нарастания и соответственно большой длительностью.

Если бы усиление усилителя не зависело от частоты, то выходной импульс имел бы ту же форму, что и входной. Однако, поскольку каждый усилитель, даже широкополосный, имеет ограниченную полосу пропускания, следует ожидать, что входной импульс не будет идеально воспроизведен на выходе усилителя, а отклик усилителя будет зависеть от свойств схемы. Математический анализ усилителя позволяет утверждать, что форма начальной части (фронта) выходного импульса зависит от свойств усилителя в диапазоне высоких частот, тогда как форма средней части выходного импульса (вершины) зависит от свойств усилителя в диапазоне низких частот. С точки зрения измерений широкополосных усилителей временная характеристика является полезным мерилом качества усилителя, поскольку сразу же демонстрирует вносимые усилителем искажения.

На рис. 7.1 показаны отклики усилителя на единичный скачок, единичные отклики в области фронта и вершины. Единичный отклик в области фронта может быть колебательным или монотонным.

Рис. 7.11. Формы фронта ( а ) и вершины ( б ) на выходе усилителя при единичном скачке на входе:

1  — колебательная форма фронта; 2 — монотонная

Для полного определения искажений фронта служат три параметра; время нарастания τ н , определяемое как время нарастания отклика от 0,1 до 0,9 в установившемся состоянии; время задержки τ з определяемое как время нарастания отклика от 0 до 0,5 в установившемся состоянии; амплитуда первого колебания (выброса) l.

Естественно, что последний параметр не относится к непрерывно нарастающему (монотонному) отклику.

Для определения вершины отклика за критерий ошибки принимается спад z в момент t = Т. Как уже упоминалось, временная характеристика строго зависит от частотных характеристик. И поэтому максимально линейной фазовой характеристике, а также плавно спадающей амплитудной характеристике соответствуют монотонный характер фронта (l < 1 %) и относительно большее время нарастания. В свою очередь максимально гладкой амплитудной характеристике, достаточно быстро спадающей за пределами полосы пропускания, соответствует отклик с небольшими амплитудами выбросов и относительно малым временем нарастания. Спад отклика зависит от нижней граничной частоты усилителя. Чем эта частота меньше, тем меньше спад. В принципе не существует простых зависимостей между частотными и импульсными параметрами усилителя. Однако на практике можно пользоваться зависимостью, которая связывает время нарастания τ н и верхнюю граничную частоту f в . Оказывается, что произведение τ н f в есть величина постоянная и примерно равная 0,4. Из этой зависимости следует, что время нарастания единичного отклика тем меньше, чем выше верхняя граничная частота усилителя.

 

На чем основана компенсация усилителя?

Широкополосные резистивные усилители характеризуются такой амплитудной характеристикой в некотором диапазоне частот, которого из-за коэффициента усиления усилителя в ряде применений может оказаться недостаточно. Поэтому имеется необходимость в увеличении площади усиления путем расширения его полосы. Этот метод основан на компенсации падения коэффициента усиления в диапазоне высоких и низких частот с помощью соответственно включенных пассивных цепей. Благодаря этим цепям сопротивление нагрузки усилителя в диапазоне частот, в котором происходит уменьшение усиления, увеличивается, в связи с чем происходит выравнивание усиления.

 

Каковы цепи компенсации усилителя в диапазоне высоких частот?

Схемы компенсации усилителя в диапазоне высоких частот делятся на двух- и четырехполюсниковые схемы компенсации в зависимости от того, являются ли межкаскадные компенсирующие цепочки двух- или четырехполюсниковыми.

Простейшая схема двухполюсниковой компенсации с помощью параллельной индуктивности показана на рис. 7.12.

Рис. 7.(2. Ламповый ( а ) и транзисторный ( б ) усилители с двухполюсниковой компенсацией параллельной индуктивностью

Индуктивность подобрана таким образом, что вместе с полной выходной емкостью каскада образует параллельный резонансный контур на частоте, при которой амплитудная характеристика начинает заметно спадать.

В зависимости от добротности резонансного контура получают плоскую или возрастающую (приподнятую) в определенном диапазоне частот амплитудную характеристику. На рис. 7.13 представлено семейство характеристик усилителя со схемой двухполюсниковой компенсации для разных значений добротности Q.

Рис. 7.13. Амплитудные характеристики усилителя с компенсаций параллельной индуктивностью

Можно показать, что максимально плоская амплитудная характеристика получается при Q = 0,414. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания составляет при этом 1,73 значения аналогичного произведения для усилителя без компенсации. Это означает, что при заданном усилении компенсация позволяет на 73 % увеличить ширину полосы пропускания усилителя. Теоретический предел возможности расширения полосы с помощью более сложных схем двухполюсниковой компенсации равно 2. Bpeменные характеристики усилителя с двухполюсниковой компенсацией демонстрируют меньшее время нарастания но начиная с Q = 0,25, появляются выбросы (колебания), возрастающие с увеличением добротности.

Четырехполюсниковая компенсация состоит во включении между выходом данного усилительного каскада и входом последующего соответствующим образом рассчитанного корректирующего четырехполюсника. В схемах этого типа корректирующий четырехполюсник отделяет выходную емкость данного каскада от входной емкости последующего, благодаря чему площадь усиления может быть больше, чем в усилителях с двухполюсниковой коррекцией, поскольку компенсация касается меньших емкостей. Теоретический предел роста произведения GB для четырехполюсниковон компенсации по сравнению с произведением GB усилителя без компенсации составляет 4.

К недостаткам четырехполюсниковой компенсации относятся зависимость частотных и временных характеристик от соотношения входной и выходной емкостей усилителя, а также худшие импульсные свойства в результате того, что предельный фазовый сдвиг больше, чем в усилителях с двухполюсниковой компенсацией.

На рис. 7.14 представлена простейшая схема четырехполюсниковой компенсации с помощью последовательной индуктивности.

Рис. 7.14. Четырехполюсниковый элемент компенсации усилителя

Индуктивность разделяет емкости С а и С с , в результате чего образуется фильтр нижних частот, корректирующий характеристику. Ламповый вариант схемы приведен сознательно, поскольку в транзисторных схемах выходная емкость намного меньше входной и разделение емкостей согласующим четырехполюсником на практике не дает преимуществ. В ламповых схемах четырехполюсниковая компенсация является эффективной, поскольку С а и С с — обычно одного порядка (С а  ~= 1/2·С с ).

Например, если отношение емкости С с к полной С а + С с составляет 0,75, добротность Q = 0,67, то увеличение произведения GB составляет 2, время нарастания τ н = 1,1·R·(С а + С с ), а амплитуда первого выброса l ~= 8,1 %.

 

Какова схема компенсации усилителя в диапазоне низких частот?

Амплитудная характеристика в диапазоне низких частот может быть расширена путем включения последовательно с нагрузкой резистора R x и конденсатора C х (рис. 7.15).

Рис. 7.15. Схема компенсации в диапазоне низких частот

В диапазоне средних и высоких частот реактивное сопротивление конденсатора С х настолько мало, что практически замыкает резистор R x на этих частотах и приводит к тому, что эффективное сопротивление нагрузки равно R 1 .

В диапазоне низких частот шунтирующим влиянием емкости Сх можно пренебречь. В этом случае эффективное сопротивление увеличивается до R 1  + R x . Увеличение сопротивления нагрузки вызывает увеличение усиления каскада и, следовательно, при соответственно подобранных R x и С х компенсацию падения усиления, вызванного влиянием делителя, состоящего из конденсатора связи и входного сопротивления R вх .

Временная характеристика скомпенсированного усилителя в диапазоне низких частот имеет меньший спад, чем временная характеристика некомпенсированного усилителя.

 

Что такое усилитель постоянного тока?

Усилителем постоянного тока называется усилитель, предназначенный для усиления медленно изменяющихся колебаний с постоянной составляющей. Амплитудная характеристика такого усилителя в диапазоне низких частот охватывает также «частоту» f = 0 Гц. Ограничение амплитудной характеристики в диапазоне высоких частот происходит по тем же причинам, что и в усилителе с емкостной связью.

Характерной чертой усилителей постоянного тока является отсутствие в них каких-либо реактивных элементов связи (конденсаторов, трансформаторов). Отдельные каскады связаны непосредственно: анод или коллектор данного каскада соединен с сеткой или базой последующего каскада. Отсюда усилители постоянного тока часто называются усилителями с непосредственной связью.

Проблемой, неразрывно связанной с этим типом усилителя, является проблема устойчивости. Каждое изменение в результате нестабильности рабочей точки ламп или транзисторов (дрейфа), фона, вызванного неидеальной фильтрацией напряжения питания, или эффекта старения элементов не может быть выделено из полезного сигнала и появляется на выходе в виде сигнала помехи. В случае транзисторов еще добавляется температурная чувствительность транзистора. В связи с проблемой стабильности наиболее подходящими схемными решениями усилителей с непосредственной связью являются те, в которых содержатся схемы компенсации, как следующие из самой конфигурации схемы, так и основанные на использовании в качестве компенсирующих элементов транзисторов и диодов. Кроме того, непосредственная связь в усилителях постоянного тока создает ряд трудностей, связанных с питанием отдельных каскадов.

 

Какова схема наиболее простого усилителя постоянного тока?

Простейшая схема транзисторного усилителя постоянного тока представлена на рис. 7.16, а. В первом каскаде используется обычная цепь подачи смещения на базу. Цепями смещения каждого последующего каскада являются резистор нагрузки коллектора и транзистор предыдущего каскада. Представленная схема является несимметричной с присущим ей недостатком, заключающимся в большом дрейфе тока. Стабилизация рабочих точек транзисторов с помощью резисторов в цепях эмиттеров в этом случае не дает результатов, поскольку отрицательная обратная связь одинаково эффективно действует как на дрейф, так и на полезный сигнал, и поэтому отношение сигнала к дрейфу не улучшается. В этой ситуации проблема уменьшения дрейфа может быть решена либо стабилизацией напряжения питания, либо применением компенсирующих схем, состоящих из диодов, термисторов или транзисторов с соответствующим образом подобранными электрическими и температурными характеристиками. Эти схемы изменяют рабочую точку таким способом, что происходит компенсация изменений выходного сигнала. В качестве примера на рис. 7.16, б показан усилитель постоянного тока со схемой компенсации дрейфа (Д 1 , R 1 , R 2 , R 3 ), использующей полупроводниковый диод. Эта схема, как и любая компенсационная схема, требует тщательного подбора элементов и чувствительна ко всяким изменениям их параметров.

Непростой задачей (особенно при большом количестве каскадов) является подбор соответствующих сопротивлений резисторов в цепях коллектора и эмиттера в схеме на рис. 7.16, а, которые бы устанавливали смещение базы, обеспечивающее работу схемы на линейном участке характеристик транзисторов. Поэтому применяется также схема с кремниевыми диодами, включенными в цепи эмиттера транзисторов (рис. 7.16, в). Резисторы, включенные между коллектором данного каскада и базой следующего, ограничивают ток базы.

Рис. 7.16. Транзисторный усилитель постоянного тока с непосредственной связью ( а ), с диодной компенсацией дрейфа ( б ) и кремниевыми диодами в цепи питания транзисторов ( в )

 

Что такое усилитель постоянного тока с противоположной симметрией?

Противоположная симметрия, называемая также комплементарной, допускает каскадное соединение многих транзисторных каскадов усилителей постоянного тока при использовании источника низкого напряжения. Понятие противоположной симметрии связано исключительно с транзисторами и не имеет аналоги в ламповых схемах. Симметрия такого типа основана на использовании двух транзисторов, из которых первый является типа р-n-р, а второй — типа n-р-n или наоборот.

Схема такого усилители па транзисторах показана на рис. 7 17.

Рис. 7.17. Усилитель постоянного тока на комплементарных транзисторах

Транзистор Т 1 типа n-р-n. Поскольку напряжение базы транзистора Т 1 составляет 4 В, а напряжение эмиттера этого транзистора равно 3,3 В, база имеет по отношению к эмиттеру положительное смещение 0,7 В, т. е. такое, каким характеризуются кремниевые транзисторы типа р-n-р. Коллектор с напряжением 12 В непосредственно связан с базой транзистора Т 2 . Напряжение эмиттера этого транзистора составляет 12,7 В, что обеспечивает отрицательное смещение базы относительно эмиттера в кремниевом транзисторе Т 2 типа р-n-р. Напряжение коллектора этого транзистора составляет 1,8 В, т. е. является менее положительным, чем напряжение эмиттера, а это означает, что коллектор смещен отрицательно относительно эмиттера. Путем соответствующего подбора сопротивлений резисторов можно получить равенство постоянных напряжений в выходной и входной цепях.

Достоинством схемы, основывающимся на противоположности характеристик обоих транзисторов, является малая чувствительность к изменениям температуры и параметров транзисторов.

 

Что такое усилитель с преобразованием и каков принцип его работы?

Как уже известно, в усилителях постоянного тока с непосредственной связью возникают трудности, связанные с дрейфом, нестабильностью усиления и условиями питания. Дрейф усилителя начинает приобретать принципиальное значение при усилении малых сигналов.

Методом, позволяющим избежать указанных трудностей, является использование усилителя с преобразованием. Принцип действия такого усилителя состоит в преобразовании входного сигнала постоянного или медленно изменяющегося тока в переменный сигнал, усилении его в обычном усилителе переменного тока, а затем в преобразовании его снова в сигнал постоянного или медленно меняющегося тока.

Структурная схема усилителя с преобразованием представлена на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Структурная схема усилителя с преобразованием

Входной (модулятор) и выходной (демодулятор) преобразователи поочередно выполняют преобразование постоянного напряжения в переменное и переменное в постоянное. Входным преобразователем обычно является механический вибратор, транзисторный ключ или транзисторная схема, работающая в двух крайних состояниях пропускания и непропускания. Транзисторная ключевая схема обычно возбуждается (управляется) от независимого источника переменного тока, например мультивибратора, работающего с частотой 400 — 1000 Гц. Выходным преобразователем является детектирующая схема.

 

Как работает усилитель с трансформаторной связью?

Усилитель с трансформаторной связью называется также трансформаторным усилителем. Его схема показана на рис. 7.19. Усилительный элемент — лампа или транзистор, а трансформатор — элемент связи каскада усиления с последующим каскадом либо нагрузкой. Первичная обмотка трансформатора включена между зажимом источника питания и анодом или коллектором. Вторичная обмотка подает сигнал на сетку или базу следующего каскада или прямо в нагрузку, например громкоговоритель.

Трансформатор, как известно, не пропускает постоянный ток из первичной обмотки во вторичную, поэтому он выполняет функции элемента, разделяющего постоянные напряжения, действующие на электродах ламп или транзисторов, включенных каскадно, аналогично конденсатору связи в резистивно-емкостном усилителе. Из-за того что обмотки трансформатора имеют очень малое сопротивление, постоянное напряжение на аноде или коллекторе практически равно напряжению питания.

В трансформаторном усилителе переменный ток, протекающий в первичной обмотке трансформатора, наводит ЭДС во вторичной обмотке. Это напряжение служит для возбуждения последующего каскада или нагрузки (чаще всего громкоговорителя).

Рис. 7.19. Принципиальная схема трансформаторного усилителя

 

Каковы достоинства трансформаторной связи?

Достоинствами трансформаторной связи являются: удобные условия питания и стабилизации рабочей точки из-за малого сопротивления обмоток для постоянной составляющей; возможность трансформации сопротивления, в результате чего достигается увеличение коэффициента усиления; возможность симметрирования несимметричной схемы или наоборот.

Одним из основных параметров трансформатора является коэффициент передачи, определяемый как отношение числа витков вторичной обмотки n 2 к числу витков первичной n 1

p = n 2 /n 1

В идеальном трансформаторе (рис. 7.20, a), в котором энергия передается без потерь, коэффициент передачи напряжения равен коэффициенту трансформации

p = U 2 /U 1

Из закона сохранения энергии следует, что полная мощность в первичной цепи должна быть равна полной мощности во вторичной, и поэтому коэффициент передачи тока равен обратной величине коэффициента передачи напряжения

p = I 1 /I 2

На основе приведенных зависимостей можно легко показать, что коэффициент передачи сопротивлений равен квадрату коэффициента трансформации (передачи)

Z 2 /Z 1  = р2

или коэффициент трансформации равен корню квадратному из коэффициента передачи сопротивлений.

Последняя зависимость позволяет трактовать трансформатор не только как устройство для трансформации напряжения и тока, но и как устройство для трансформации сопротивлений. Этим свойством трансформатора пользуются в том случае, когда необходимо согласовать сопротивления нагрузки и источника для создания оптимальных условий передачи мощности в цепи. Если, например, источник с внутренним сопротивлением 100 Ом должен передавать мощность в нагрузку с сопротивлением 16 Ом, достаточно использовать понижающий трансформатор с коэффициентом передачи

р = √(16/100) = √(1/6,25) = 1:2,5.

Трансформатор позволяет также перейти от несимметричной схемы к симметричной и наоборот. Несимметричной называется схема, в которой один зажим генератора и нагрузки соединен с массой схемы, а второй имеет потенциал выше или ниже.

Все рассматриваемые до сих пор усилители были несимметричными, поскольку из-за источника сигнала один конец нагрузки был всегда соединен с массой.

Часто возникает необходимость создания симметричного источника, т. е. разделенного на две части, на которых действуют одинаковые по значению относительно малые напряжения, но противоположной полярности.

Симметричная относительно массы схема имеет три провода. Средний (нулевой) провод имеет потенциал массы. Остальные два провода имеют определенный потенциал относительно массы, причем когда на одном из них действует положительный мгновенный потенциал, то на другом — отрицательный.

Идеальным симметрирующим устройством является трансформатор (рис. 7.20, б). Для перехода на симметричную схему достаточно к несимметричному источнику подключить трансформатор со вторичной обмоткой, разделенной на две равные части. При соединении с массой, выведенной наружу трансформатора средней точки обмотки, получаем симметричный источник.

Рис. 7.20. Идеальный трансформатор ( а ) и трансформатор как симметрирующая схема ( б )

 

Какие недостатки у трансформаторной связи?

Недостатками трансформаторной связи являются: увеличение стоимости и габаритных размеров схемы, ухудшение частотной характеристики, возможность возникновения дополнительных нелинейных искажений из-за нелинейности самого трансформатора.

Первый недостаток не требует подробных комментариев. Трансформатор, выполненный, как правило, на сердечнике из магнитного материала и содержащий часто несколько сотен витков, является устройством, занимающим значительно больший объем, чем объем элементов, входящих, например, в состав транзисторного усилителя. Его стоимость значительно больше стоимости конденсатора связи.

Вид частотной характеристики усилителя, в котором используется трансформаторная связь, в основном зависит от частотной характеристики трансформатора. Трансформатор можно рассматривать как четырехполюсник, состоящий из нескольких индуктивностей (индуктивности первичной обмотки и индуктивности рассеяния), емкостей (емкости обмоток и межвитковые емкости) и сопротивлений (сопротивления обмоток). Вид частотной характеристики такого четырехполюсника зависит от параметров составляющих его элементов, а те в свою очередь от конструкции и исполнения трансформатора. Не вникая в детали, можно утверждать, что в диапазоне низких частот принципиальное значение имеет индуктивность первичной обмотки. Чем меньше требуемая нижняя граничная частота, тем большей она должна быть.

В трансформаторе, используемом в усилителе звуковых частот, индуктивность часто превышает 100 Гн. В диапазоне высоких частот верхняя граничная частота ограничивается индуктивностями рассеяния, которые должны быть как можно меньше. Они образуют последовательный резонансный контур, который при благоприятных условиях (высокая добротность Q трансформатора) может вызвать подъем амплитудной характеристики А вблизи резонансной частоты (рис. 7.21).

Рис. 7.21. Амплитудная характеристика трансформатора:

1  — плоская; 2 — с выбросом вблизи резонансной частоты

Если принять во внимание требование малых габаритных размеров трансформатора, то получение широкой и плоской амплитудной характеристики является не простым делом.

Дополнительным затруднением в правильном изготовлении трансформатора является тот фактор, что через его первичную обмотку протекает постоянный ток (анода или коллектора), приводящий к насыщению сердечника. Трансформатор должен работать вдали от точки насыщения. Если насыщение сердечника возникает до появления пика усиливаемого сигнала, наложенного на постоянную составляющую, появляются нелинейные искажения. Это очень существенная проблема, особенно в усилителях больших сигналов.

 

Когда используется трансформаторная связь?

Из-за высокой стоимости трансформатора и связанных с этим недостатков трансформаторная связь используется редко. Чаще всего этот вид связи применяют в выходных мощных каскадах как ламповых, так и транзисторных, в которых используется возможность согласования малого сопротивления, например, громкоговорителя с оптимальным сопротивлением нагрузки активного элемента. Громкоговоритель сознательно указан в качестве примера оконечной нагрузки усилителя, поскольку чаще всего трансформаторную связь применяют в усилителях звуковых частот. Именно в этих усилителях трансформаторы также используют в качестве симметрирующих схем для возбуждения балансных (противотактных) усилителей мощности. В промежуточных каскадах ламповых и транзисторных усилителей трансформаторную связь применяют крайне редко, так как выигрыш в усилении и согласовании не компенсирует недостатков трансформатора.

Иногда трансформаторная связь применяют в импульсных усилителях. Трансформатор с минимальными индуктивностями и емкостями рассеяния в этом случае проектируют исходя из получения оптимальных параметров без учета связанных с этим расходов.

 

Какими параметрами характеризуется усилитель мощности?

Задачей усилителя мощности является подведение к приемнику энергии (нагрузки) определенной мощности переменного тока. Главными параметрами, определяющими энергетические свойства усилителя мощности, являются: полезная выходная мощность Р вых и максимальная выходная мощность в условиях полного возбуждения усилителя; энергетический КПД μ, определяемый как отношение полезной выходной мощности к мощности, подводимой от источника питания; уровень нелинейных искажений, характеризуемый содержанием гармоник К г выходного сигнала при синусоидальном входном сигнале; частотная характеристика, определяемая нижней и верхней граничными частотами, а также формой характеристики внутри полосы (неравномерность усиления).

Первые три параметра взаимосвязаны и зависят прежде всего от типа лампы или транзистора, используемой схемы и режима работы усилителя.

Рассмотренные до сих пор усилительные схемы работали в классе А, т. е. рабочая точка находилась посередине рабочей характеристики. Можно сказать, что класс А характеризуется постоянным протеканием анодного или коллекторного тока в такт с управляющим сигналом. Поскольку полный период синусоидального возбуждающего сигнала соответствует углу 360°, то угол отсечки анодного или коллекторного тока 2θ также равен 360°.

В усилителях мощности применяют и другие классы работы.

Класс АВ — рабочая точка находится в нижней части рабочей характеристики; угол отсечки удовлетворяет условию 180°< 2θ < 360°.

Класс В рабочая точка находится на начальном участке рабочей характеристики вблизи границы отсечки тока (2θ = 180°).

Класс С характеризуется углом 2θ < 180°, однако он находит применение только в резонансных усилителях высокой частоты.

Ниже будут рассмотрены усилители мощности, которые нашли широкое применение. Усилители мощности переменного тока низкой частоты работают в полосе от нескольких десятков герц до 10–20 кГц. Приемником мощности в усилителях этого типа является громкоговоритель. Усилители мощности работают в классах А, АВ и В, причем два последних класса требуют использования балансных или двухтактных схем.

 

Что такое несимметричный усилитель мощности класса

А

?

На рис. 7.22 представлены схемы такого усилителя в ламповом и транзисторном вариантах. Представляется, что они идентичны усилителям напряжения, однако между ними имеются различия.

Рас. 7.22. Ламповый ( а ) и транзисторный ( б ) усилители мощности класса А

Принципиальное различие заключается в использовании активного элемента большей мощности. В случае лампового усилителя мощности лампа характеризуется большим анодным током, около нескольких десятков миллиампер, при большом анодном напряжении 200–300 В. Рассеиваемая на аноде мощность составляет несколько ватт, поэтому анод мощной лампы должен быть соответственно большим. Аналогично транзистор в усилителе мощности характеризуется большим, около нескольких ампер, током, протекающим через переход коллектор — база.

Однако большой ток вызывает значительный разогрев области перехода, что в случае недостаточного охлаждения транзистора приводит к выходу последнего из строя. Поэтому для мощных транзисторов необходимо применение специальных устройств для отвода тепла, т. е. радиаторов. Следующее отличие по сравнению с усилителями напряжения заключается в значительно меньшем сопротивлении катодного или эмиттерного резистора в усилителе мощности, что непосредственно вытекает из больших значений катодного и эмиттерного токов.

В представленных на рис. 7.22 схемах нагрузка усилителя через трансформатор связана с анодом или коллектором. Трансформатор согласует малое сопротивление нагрузки (около нескольких ом) с оптимальным сопротивлением нагрузки для активного элемента.

В ламповых схемах выбор оптимального нагрузочного сопротивления диктуется стремлением получить как можно большую выходную мощность при допустимых искажениях. При максимальной выходной мощности, достигаемой в усилителях класса А (теоретический КПД составляет 50 %), искажения относительно велики. Поэтому на практике они не используются.

В триодных усилителях оптимальное с точки зрения мощности нагрузочное сопротивление в 2 раза больше внутреннего сопротивления триода. При таком сопротивлении нагрузки КПД триодного усилителя класса А далеко от максимального и на практике составляет примерно 15–25 %. Если учитывать еще малый коэффициент усиления триода, то становится очевидным, что его энергетические свойства не являются выгодными. В связи с этим применение триодов в усилителях мощности ограничивается схемами очень большой мощности, в которых пентоды не могут быть использованы.

В пентодных усилителях оптимальное нагрузочное сопротивление составляет от 1/4 до 1/8 внутреннего сопротивления и близко по значению к нагрузочному сопротивлению, при котором имеет место минимум нелинейных искажений. Коэффициент полезного действия пентодного усилителя больше, чем триодного, и составляет обычно 30–40 %.

В случае транзисторного усилителя проблема нелинейных искажений более сложна, поскольку искажения зависят как от выходных, так и от входных характеристик транзистора. Существует оптимальное сопротивление источника, несколько меньшее среднего выходного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ, при котором искажения минимальны. Нагрузочное сопротивление подбирают исходя в основном из максимальной мощности. С учетом характерных для мощных транзисторов малых напряжений и больших токов нагрузочные сопротивления малы, единицы или десятки ом, что обеспечивает выгодные условия совместной работы, например с громкоговорителем с малым сопротивлением.

На практике транзисторные усилители мощности класса А используются не часто, несмотря на то, что их КПД близок к теоретическому и составляет 45–50 %. Это следует из тенденции к максимальному использованию располагаемой мощности транзистора и усилителя. Частотные характеристики трансформаторных усилителей мощности зависят главным образом от параметров трансформатора.

 

Как работает двухтактный усилитель?

Принципиальная схема двухтактного усилителя, называемого также балансным усилителем, представлена на рис. 7.23.

Рис. 7.23. Принципиальная схема двухтактного усилителя

Для правильной работы схемы напряжения, возбуждающие оба транзистора, должны иметь одинаковые амплитуды и противоположные базы.

С учетом того что источники сигналов в общем несимметричны, имеется необходимость в применении симметрирующей схемы. Простой однако не единственной цепью этого типа является трансформатор, в котором вывод средней точки вторичной обмотки соединен с массой. Благодаря такому соединению потенциал этой точки относительно массы равен 0 В. Теперь, если мгновенная полярность сигнала на верхнем зажиме вторичной обмотки положительна, на нижнем зажиме она отрицательна и наоборот. В соответствии с этим, если напряжение u 1 положительно, смещение в проводящем направлении транзистора Т 1 уменьшается и убывает его коллекторный ток, т. е. напряжение на коллекторе понижается. В этом же самое время напряжение u 2  является отрицательным и увеличивает смещение в проводящем направлении транзистора Т 2 , в результате чего его коллекторный ток увеличивается и напряжение на коллекторе также возрастает. Кроме того, если мгновенное напряжение на коллекторе транзистора Т 1 минимально, то на коллекторе транзистора Т 2 оно максимально. Это также означает, что средний вывод выходного трансформатора имеет отрицательный потенциал относительно коллектора транзистора и положительный по отношению к коллектору транзистора Т 1 . Поэтому напряжения, действующие на каждой половине первичной обмотки выходного трансформатора, находятся в фазе, суммируются друг с другом и создают переменное напряжение, значение которого в 2 раза больше, чем в случае одного транзистора. В условиях правильного согласования схемы с нагрузкой мощность, выделяемая в нагрузке, также в 2 раза больше.

 

Какие преимущества имеет двухтактный усилитель?

Хотя усилитель, созданный из двух включенных параллельно транзисторов, отдает в 2 раза большую мощность, чем усилитель на одном транзисторе, он все же не обладает многими преимуществами двухтактной схемы.

Одним из преимуществ, являющихся следствием распределения токов, является уничтожение постоянных составляющих в выходном трансформаторе. Это имеет важное практическое значение, поскольку отсутствие постоянной составляющей, насыщающей сердечник трансформатора, в значительной степени упрощает его конструкцию, а искажения, которые могли бы возникнуть в трансформаторе из-за протекания постоянной составляющей, исключаются.

Из анализа нелинейных искажений, вносимых двухтактной схемой, следует, что четные гармоники (вторая, четвертая и следующие, кратные частоте возбуждающего сигнала) вычитаются на выходе, и, следовательно, суммарные потери будут меньше. Отсюда следует, что при том же самом возбуждении, что и в однотактном усилителе, и при тех же самых заданных искажениях можно получить в 2 раза большую мощность по сравнению с мощностью однотактного усилителя.

В цепи питания двухтактной схемы вычитаются основная составляющая и нечетные гармоники возбуждающего сигнала. Благодаря этому в схеме не возникают паразитные обратные связи в цепи питания, а, кроме того, пульсации из источника питания не проникают на выход усилителя.

Очень важным преимуществом двухтактных усилителей является возможность их работы не только в режиме класса А, но также и в режиме класса В или АВ. В усилителе класса В транзистор Т 2 (рис. 7.23) усиливает только первую половину периода входного напряжения и заперт во время длительности второго, положительного полупериода. Но именно в этот момент сигнал на базе транзистора Т 1 отрицателен и усиливается транзистором. Оба усиленных колебания суммируются в выходном трансформаторе, в результате чего образуется колебание той же самой формы, что и на входе усилителя. Из-за того что в двухтактных усилителях класса В рабочие точки обоих транзисторов лежат вблизи области отсечки тока, мощность питания, а также мощность, рассеиваемая в усилительных элементах в отсутствие возбуждающего сигнала, являются очень малыми. Принимая во внимание возможность полного использования (возбуждения) транзистора, легко сделать вывод, что КПД усилителя этого типа очень высок. Теоретически он составляет 78 %, на практике в транзисторных схемах достигает примерно 75 %.

 

Может ли двухтактная схема работать без выходного трансформатора?

Да, если выходное сопротивление близко к оптимальному. При соответствующей конструкции схемы усилителя можно исключить выходной трансформатор. Благодаря этому значительно снизятся стоимость и габаритные размеры устройства, улучшится его частотная характеристика и уменьшатся нелинейные искажения.

Бестрансформаторные схемы чаще всего используют в транзисторных усилителях, исходя из более выгодных условий совместной работы транзисторов с малыми нагрузочными сопротивлениями. Бестрансформаторные усилители на лампах труднее реализовать из-за необходимости использования значительно больших сопротивлений нагрузки (несколько сотен ом или даже килоом).

Сначала рассмотрим ламповую бестрансформаторную схему, представленную на рис. 7.24.

Рис. 7.24. Бестрансформаторный двухтактный ламповый усилитель

Обе лампы, включенные последовательно, питаются анодным напряжением, в 2 раза большим, чем напряжение, требуемое для одной лампы. Нагрузка связана с лампами посредством конденсатора связи С. Для обеспечения нужной характеристики усилителя в диапазоне низких частот его емкость выбирается большой. При симметричном возбуждении обеих ламп схема работает, как двухтактный усилитель. Возбуждающие напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Их можно получить, используя входной трансформатор с симметричными, но изолированными друг от друга вторичными обмотками. В обсуждаемой схеме для инверсии (переворота) фазы входного сигнала используется нижняя лампа.

Сигнал на резисторе R к имеет противоположную фазу относительно входного сигнала, однако, благодаря соответствующему подбору сопротивления, одинаковую амплитуду. Этот сигнал управляет верхней лампой двухтактного усилителя.

Бестрансформаторные транзисторные усилители чаще всего работают в режиме класса В. Из-за отсутствия выходного трансформатора напряжение на коллекторе непроводящего транзистора не увеличивается, в связи с чем может быть увеличено питающее напряжение. Это приводит к лучшему использованию транзисторов по напряжению и в результате к большей выходной мощности. Что касается способа управления, то чаще всего применяют трансформаторную или непосредственную связь.

Примером бестрансформаторного (со стороны нагрузки) транзисторного двухтактного усилителя с емкостной связью с нагрузкой является схема, представленная на рис. 7.25.

Рис. 7.25. Бестрансформаторный двухтактный усилитель при емкостной связи с нагрузкой

Принцип работы этой схемы очень похож на принцип работы ранее рассмотренной. Разница заключается в использовании входного трансформатора с двумя независимыми обмотками, обеспечивающими сдвинутые по фазе возбуждающие напряжения.

Значительное упрощение условий возбуждения достигается при использовании в двухтактном усилителе мощности транзисторов р-n-р и n-p-n (рис. 7.26).

Рис 7.26. Двухтактная схема с комплементарными транзисторами

В схеме такого типа симметричное возбуждение является излишним из-за противоречивых свойств транзисторов. Управляющий сигнал, поданный на базу одного транзистора, возбуждает его таким образом, что он будет проводить в то время, когда другой транзистор будет заперт. Поэтому работа в режиме класса В осуществляется без входного трансформатора. Недостатком схем этого типа является трудность получения достаточно высокой степени симметрии дополнительных транзисторов, что может быть причиной появления больших нелинейных искажений.

 

Что такое симметрирующий усилитель?

Как уже известно, для возбуждения двухтактного усилителя необходимы два симметричных напряжения, сдвинутых на 180° по фазе относительно друг друга. Схема, обеспечивающая такие напряжения, называется симметрирующей схемой, фазовращателем или инвертором фазы. Наиболее простым, однако достаточно дорогим способом получения симметричного сигнала является применение трансформатора с разделенной вторичной обмоткой. Имеются, однако, симметрирующие усилители, которые выполняют роль симметрирующего трансформатора. В симметрирующих усилителях используется свойство переворачивания фазы сигнала в катодной или эмиттерной цепи усилительного каскада.

Простейшей симметрирующей схемой является двухкаскадный усилитель (рис. 7.27, а).

Рис. 7.27,а. Двухкаскадный симметрирующий транзисторный усилитель

Оба транзистора работают по схеме с ОЭ. Сигнал с коллектора транзистора Т 1 передается на выход 1 и одновременно через делитель напряжения, образованного сопротивлением R и входным сопротивлением R вх транзистора Т 2 , на базу транзистора Т 2 . На коллекторе этого транзистора появляется усиленное напряжение обратной полярности, которое поступает на выход 2. Условием равенства напряжений на выходах 1 и 2 является такое деление выходного напряжения транзистора Т 1 , при котором транзистор Т 2 возбуждается частью напряжения, равной обратной величине коэффициента передачи этого транзистора. Недостатком схемы обычно является отсутствие симметрии во всем полезном диапазоне частот, поскольку линейные искажения второго каскада приводят к тому, что амплитудные характеристики на обоих выходах неодинаковы

Другой симметрирующей схемой является схема с разделенной нагрузкой (рис. 7.27, б), в которой используются одновременно два выхода: из цепей коллектора и эмиттера. Переменное напряжение на коллекторе сдвинуто по фазе на 180° по отношению к входному, а переменное напряжение на эмиттере находится в фазе с входным.

Поскольку коллекторный и эмиттерный токи равны или почти равны друг другу, напряжения на обоих выходах будут симметричны, если сопротивления в выходных цепях будут равны или почти равны друг другу. Точная симметрия достигается подбором одного из резисторов в цепи коллектора или эмиттера. Характерной особенностью схемы являются неодинаковые внутренние сопротивления на обоих выходах: большее на выходе 1 и меньшее на выходе 2.

Рис. 7.27,б.  Симметрирующая схема с разделенной нагрузкой

 

Каким образом можно получить большое входное сопротивление усилителя?

Входное сопротивление усилителя является одним из важнейших параметров усилителя. Очень часто оказывается важным, чтобы входное сопротивление было максимально большим (высоким). Условием большого входного сопротивления является большое сопротивление и малая входная емкость усилительного каскада, а также малое влияние входных цепей питания активного элемента.

Для ламповых усилителей с заземленным катодом входное сопротивление определяется максимально допустимым сопротивлением утечки сетки (составляющего максимально несколько мегом). Входная емкость зависит от емкости между сеткой и катодом С с. к , а также емкости, вносимой за счет эффекта Миллера и равной С а. с (1 + К u ). На практике минимальная входная емкость составляет от единиц до 10–20 пФ. В большинстве случаев такое значение входного сопротивления вполне достаточно. В отдельных случаях, когда требуется значительно большее входное сопротивление, на входе усилителя можно использовать каскад с заземленным анодом или катодный повторитель (рис. 7.28, а). Характерными чертами-такой схемы являются: усиление по напряжению меньше единицы, малое выходное сопротивление, а также очень большое входное сопротивление и малая входная емкость. На практике получают входное со противление около десятков мегом, а емкость — нескольких пикофарад.

В транзисторных схемах, кроме схем на полевых транзисторах, характеризующихся высоким входным сопротивлением, получить большое входное сопротивление значительно труднее. Входное сопротивление усилителя, работающего по схеме с ОЭ, не превышает нескольких десятков килоом. Поэтому для получения больших входных сопротивлении приходится использовать специальные схемы. Одной из них является аналог лампового катодного повторителя — эмиттерный повторитель (рис. 7.28, б).

Рис. 7.28. Катодный ( а ) и эмиттерный ( б ) повторители

Входное сопротивление эмиттерного повторителя выражается формулой Z вх ~= h 21э R э , из которой следует, что оно равно сопротивлению в цепи эмиттера, умноженному на коэффициент передачи по току транзистора. Это не означает, что входное сопротивление может достигать произвольно большого значения за счет увеличения значения R э . Максимальное входное сопротивление не может превышать сопротивления база — коллектор, равного 1/h 22б . Кроме того, делитель в цепи смещения базы, вносящий на вход сопротивление R б = R 1 R 2 (R1 + R 2 ), также уменьшает эффективное входное сопротивление повторителя.

Одним из эффективных методов увеличения входного сопротивления эмиттерного повторителя является увеличение коэффициента передачи транзистора по току h 21э . В транзисторных схемах благодаря токовому характеру возбуждения (управления) транзистора это оказывается возможным в схеме «супер-альфа», называемой также схемой Дарлингтона. В этой схеме (рис. 7.29) ток эмиттера первого транзистора управляет базой второго транзистора, в связи с чем результирующий коэффициент передачи тока h 21э равен произведению h' 21э h'' 21э отдельных-транзисторов: h 21э = h' 21э h'' 21э . Для большего числа транзисторов, работающих в схеме Дарлингтона, h 21э = h' 21э h'' 21э h''' 21э … На рис. 7.29 представлен эмиттерный повторитель, собранный по подобной схеме.

Рис. 7.29. Эквивалентная схема ( а ) и эмиттерный повторитель ( б ) схемы «суперальфа»

В соответствии с предыдущими рассуждениями его входное сопротивление выражается следующей формулой:

Z вх = h' 21э h'' 21э h 21к

 

Что такое дифференциальный усилитель?

Дифференциальный усилитель — это усилитель на двух транзисторах с эмиттерной связью, позволяющей использовать в любых комбинациях несимметричные или симметричные вход и выход.

Принципиальная схема дифференциального усилителя, в котором выходное напряжение равно разности двух входных сигналов, показано на рис. 7.30.

Рис. 7.30. Дифференциальный усилитель с двумя входами и симметричным выходом:

а — принципиальная схема;  б — схема с дополнительными эмиттерными резисторами Rэ .

На базы обоих транзисторов несимметрично подаются два напряжения u 11 и u 12 . Выходное напряжение u2 представляет собой разность потенциалов, действующих на коллекторах транзисторов. Это напряжение симметрично. Дифференциальный усилитель используется для усиления только разности входных напряжений, а не самих входных напряжений.

Коэффициент усиления схемы, определяемый как отношение напряжения u 2 к разности u 12 — u 11 , выражается, при допущении идентичности транзисторов, следующей формулой:

Кu ~= — R н /h 11б

Путем использования дополнительных эмиттерных резисторов R э можно уменьшить чувствительность усиления к разбросу значений h 11б . В этом случае

Кu ~= — R н /h 11б + R н ~= — R р /R э

причем последнее приближение справедливо, если R э >> h 11б . Следует подчеркнуть, что усиление схемы полностью не зависит от сопротивления резистора R F . Однако, с другой стороны, чем больше сопротивление, тем лучше коэффициент редукции суммарного сигнала на выходе схемы. В противоположность дифференциальному (разностному) сигналу суммарный сигнал является паразитным сигналом, зависящим от общей составляющей входного напряжения. Теоретически эта составляющая не появляется на выходе. В действительности из-за внутренней несимметрии схемы дифференциального усилителя составляющая существует. Для увеличения коэффициента редукции суммарного сигнала следовало бы увеличивать сопротивление резистора R F . В реальных условиях это не всегда возможно. Поэтому вместо резистора R F можно использовать дополнительный транзистор в схеме идеального генератора тока или источника с бесконечно большим внутренним сопротивлением (рис. 7.31, а). В этом случае практическое сопротивление резистора R F равно выходному сопротивлению транзистора в схеме с ОБ

R F  ~= 1/h 22б

Дифференциальный усилитель может также работать и в других схемах управления по входам и отбора сигнала на выходе, на рис. 6.31, б представлена схема с одним несимметричным входом и симметричным выходом. Схема такого типа может быть использована в качестве симметрирующей схемы. Еще одна схема (рис. 7.31, в) служит для преобразования симметричного входного сигнала в несимметричный выходной сигнал. Эта схема характеризуется наличием двух входов и одного несимметричного выхода.

Рис. 7.31. Дифференциальные усилители с питанием от источника тока ( а ), с одним асимметричным входом и с симметричным выходом ( б ) и с двумя входами и асимметричным выходом ( в )

 

Где применяют дифференциальные усилители?

Дифференциальные усилители нашли применение в технике интегральных микросхем при создании многокаскадных усилительных схем. Техника интегральных микросхем позволяет получать транзисторы и резисторы с очень хорошей воспроизводимостью. Благодаря этому сохраняется симметрия дифференциальных усилителей, являющаяся основой автоматической компенсации дрейфа, заключающейся в вычитании дрейфов двух симметричных трактов усиления. В этом случае проблема дрейфа имеет принципиальное значение, поскольку в интегральных микросхемах обычно применяется непосредственная связь последовательных каскадов дифференциальных усилителей. Этот вид связи устраняет проблему пропускания низких частот, связанную с конденсаторами связи. Использование конденсаторов с большой емкостью, а следовательно, и с большими геометрическими размерами свело бы на нет все преимущества малых габаритных размеров интегральных микросхем.

В интегральных микросхемах вместо резисторов R F в эмиттерной цепи дифференциальных усилителей, которые показаны в схемах на рис. 7.30 и 7.31,б и в, обычно используется третий транзистор, как показано на рис. 7.31, а.

Кроме интегральных микросхем дифференциальные усилители на дискретных элементах нашли применение в качестве усилителей постоянного тока и симметрирующих усилителей. Их также широко используют в измерительных приборах для получения сигнала, пропорционального разности двух входных напряжений. Примером этого может служить использование дифференциальной схемы на входе современного осциллографа.

 

Что такое каскод?

Это усилитель, состоящий из двух ступеней, из которых первая работает в схеме с ОК или ОЭ, а вторая — в схеме с ОС или ОБ.

На рис. 7.32 показаны два варианта каскодной схемы.

Рис. 7.32. Ламповая ( а ) и транзисторная каскодные схемы ( б )

Ламповый (триодный) вариант каскода часто использовался во входных каскадах широкополосных усилителей из-за своих полезных свойств. Нагрузкой первой ступени служит малое входное сопротивление ступени с общей сеткой, что благоприятно влияет на стабильность первой ступени.

Анализируя усиление этой схемы, можно прийти к выводу, что оно зависит только от параметров первой лампы и сопротивления нагрузки второй лампы К u = S·Z н . В общем случае можно утверждать, что каскод обладает усилительными достоинствами и стабильностью пентода и шумовыми свойствами триода. Малые шумы схемы являются следствием того, что на входе находится триод, характеризующийся малым эквивалентным шумовым сопротивлением. При большом значении крутизны S эквивалентное шумовое сопротивление может быть немного меньше, чем шумовое сопротивление пентода с такой же крутизной.

В транзисторной схеме большая часть усиления по току связана с первым каскадом, а шумы этого каскада превышают шумы каскада с ОБ. В результате этого в транзисторной схеме не наблюдаются выходные шумовые свойства, которыми характеризуется ламповый каскад. Именно поэтому каскодные схемы на транзисторах используются относительно редко.

 

На чем основана регулировка усиления и где она применяется?

Регулировка усиления является процессом, обеспечивающим постоянные условия работы отдельных каскадов усилителя. Если сигнал от источника, управляющего усилителем, велик, то существует возможность насыщения усилителя, причем это насыщение наступает в каскаде, в котором управляющий сигнал превышает максимально допустимый уровень возбуждения.

Регулировку усиления можно осуществить двумя способами: либо изменением крутизны S активного элемента, либо использованием делителя для управляющего сигнала. Для осуществления первого способа необходимы лампы или транзисторы с особыми характеристиками, крутизна которых зависит от выбора рабочей точки. Подавая на сетку или базу разное постоянное напряжение, можно изменить крутизну характеристики, а следовательно, и коэффициент усиления усилителя. Такой метод регулировки обычно используется в усилителях высокой частоты. Регулирующее напряжение вырабатывается схемой автоматической регулировки усиления (АРУ). В усилителях звуковых частот и широкополосных обычно применяют второй способ регулировки, основанный на делении управляющего сигнала. Такой способ регулировки осуществляют благодаря применению ступенчато го делителя напряжения или переменного резистора, расположенного в тракте усиления. Из-за шумов выбирается такая точка тракта, в которой уровень сигнала уже достаточно велик. В усилителях звуковых частот такой точкой является обычно выход предусилителя напряжения, который возбуждает выходной мощный каскад.

На рис. 7.33 представлена схема, поясняющая принцип регулировки усиления с помощью переменного резистора. Напряжение между движком переменного резистора и массой является возбуждающим; оно подводится к усилителю. Если движок находится в верхнем положении, то на сетке или базе транзистора усилителя действует полное входное напряжение. В нижнем положении движка происходит его «соединение» с массой схемы, в результате усилитель не усиливает.

Рис. 7.33. Потенциометр как регулятор усиления

 

Что такое развязывающая схема?

Все активные элементы многокаскадного усилителя обычно питаются от одного источника постоянного напряжения. Этот источник обладает некоторым внутренним сопротивлением R ист , которое, как видно из рис. 7.34, а, включено последовательно с нагрузочными резисторами отдельных каскадов усилителя. В связи с этим часть усиленного сигнала каждого каскада появляется на внутреннем сопротивлении источника. Это создает возможность взаимосвязи каскадов с большим уровнем сигнала с начальными каскадами усилительного тракта, в которых уровень сигнала меньше. При этом усилитель может оказаться в неустойчивом режиме работы и даже возбудиться. Возникновению такой ситуации препятствуют развязывающие схемы.

Типичная развязывающая схема представлена на рис. 7.34, б. Это RС-схема, в которой резистор R 0 включен последовательно с резистором нагрузки усилителя, а емкость конденсатора С 0 — между этими двумя резисторами и массой схемы. Развязывающие резисторы разделяют друг от друга нагрузочные резисторы, а конденсаторы эффективно шунтируют не только резистор R 0 , но и сопротивление источника питания. Сопротивление резистора R 0 составляет обычно 10 % нагрузочного сопротивления усилителя, а реактивное сопротивление конденсатора С 0 равно 0,1R 0 на самой низкой частоте, пропускаемой усилителем.

Рис. 7.34 Двухкаскадный RС -усилитель без развязывающих ( а ) и с развязывающими ( б ) цепями