Усилители постоянного тока

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители.

Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов). Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры. Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем.

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Дифференциальный усилитель

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к тому, что выходное напряжение uвых.диф очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только uвх.диф.

Дифференциальное входное напряжение определяется выражением.

Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кдиф описывается выражением.

.

Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина rэ уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i0 коэффициент Кдиф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.

Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией (усилитель типа МДМ) В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно изменяющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный повышенный частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц.

Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Структура усилителя

Рис. 11.3. Временные диаграммы с МДМ напряжений в усилителе

Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой fоп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение uм с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор — фазочувствительный выпрямитель — преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.

Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющих работу усилителя, приведены на рис. 11.3.

Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах.

Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, например, в медицинской электронике.

Уселители мощности (мощные выходные усилители) Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Усилитель мощности является примером устройства силовой электроники. Основная цель таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД — в режиме классов В или АВ. электронный транзистор сигнал усилитель Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые — в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Pн при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения.

.

Тогда максимально возможная нагрузки Рн.макс определится выражением.

.

Откуда.

.

Для согласования усилителя и нагрузки часто используют трансформатор (рис. 11.4). Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через uвых и Rвых — соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.

Рис. 11.4. Трансформатор согласования усилителя и нагрузки

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 11.5. В ней через R’н обозначено приведенное сопротивление нагрузки.

.

где n — коэффициент трансформации ().

Рис. 11.5. Эквивалентная схема согласования усилителя с нагрузкой

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при Rвых=R’н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

Трансформаторные усилители мощности Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 11.6).

Рис. 11.6. Трансформаторный усилитель мощности

Трансформаторы ТР1 и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно.

Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а элемент С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Мощность, потребляемая усилителем от источника питания Pпотр=Ек?Iкн.

Следовательно, КПД усилителя.

Для идеального усилителя теоретический КПД усилителя. Реальный же КПД .

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 11.7). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 11.7,а), либо с ОБ (рис. 11.7,б).

Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисторы R1 и R2 обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала (рис. 11.8).

Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока Iк0

.

Коэффициент полезного действия двухтактного усилителя мощности класса В.

.

Рис. 11.7. Двухтактный усилитель мощности

Рис. 11.8. Временные диаграммы двухтактного усилителя класса В

Для идеального усилителя Uкт = Ек, Iкт = I1, зтр = 1, а следовательно, теоретический КПД.

.

Реальный же КПД составляет 0,6ч0,7.

Бестрансформаторные усилители мощности В настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности. Рассмотрим двухтактный усилитель мощности на биполярных транзисторах различного типа проводимости (комплементарный эмиттерный повторитель, усилитель с дополнительной симметрией) (рис. 11.9). Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения uвх транзистор Т1 работает в режиме усиления, а транзистор Т2 — в режиме отсечки. При поступлении отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями.

Рис. 11.9. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности

Максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением.

.

При максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением.

.

Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя.

.

Для уменьшения нелинейных искажений обеспечивают некоторое начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 11.10). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается.

Рис. 11.10. Двухтактный усилитель АВ-класса

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис. 11.11). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах Т1 и Т2.

Рис. 11.11. Двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем

Поскольку напряжение на нагрузке Rн примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.