Розробка структурної та принципової схем

При введенні послідовної НЗЗ по напрузі зменшується коефіцієнт гармонік за умови, що зворотний зв'язок є негативним як для першої, так і для вищих гармонік сигналу. Якщо для якої-небудь вищої гармоніки зворотний зв'язок виявиться позитивним (унаслідок фазових зрушень на вищих частотах), коефіцієнт гармонік може зрости. Якщо ФЧХ підсилювача і ланцюга зворотного зв'язку лінійні, а коефіцієнт посилення постійний в діапазоні частот до даної гармоніки, коефіцієнт гармонік при послідовній НЗЗ по напрузі зменшується в раз. Проте введенням НЗЗ не можна зробити спотворення меншими, ніж вони були на вході підсилювача. Рівень власних шумів підсилювача при введенні послідовної НЗЗ по напрузі також зменшується.

Стійкість підсилювача  з НЗЗ залежить від коефіцієнта посилення і коефіцієнта передачі ланцюга зворотного зв'язку, тобто від глибини НЗЗ. При глибокій НЗЗ фазові зрушення на вищих і нижчих робочих частотах обумовлюють появу ПЗЗ, яка викликає нестійкість роботи підсилювача, а іноді і самозбудження. У зв'язку з цим 6 підсилювачах з глибокою НЗЗ необхідно розширювати діапазон частот з лінійною ФЧХ. Для поліпшення ФЧХ підсилювача з НЗЗ в ньому не слід

 використовувати частотно-залежні  регулювання і трансформатори. Якщо  застосування трансформатора неминуче, то його конструюють так, щоб  індуктивність розсіяння і власна місткість були мінімальними. Для додаткового поліпшення ФЧХ підсилювача можна застосовувати спеціальні коректуючі ланцюги.

Використовування ПЗЗ дозволяє підвищити коефіцієнт посилення або одержати негативний вихідний опір підсилювача, що необхідне для поліпшення роботи АС. Одночасно з ПЗЗ необхідно обов'язково застосовувати НЗЗ. Інакше робота підсилювача буде нестійкою.

Вплив паразитних зворотних  зв'язків. При слабких паразитних зв'язках з'являються додаткові  частотні і фазові, а іноді і  нелінійні спотворення. При сильному паразитному зворотному зв'язку підсилювач може самовозбудиться. У ПП паразитні зворотні зв'язки обумовлені наступними причинами:

1) електричними зв'язками  між ланцюгами;

2) магнітними зв'язками  між окремими каскадами (унаслідок розсіяння магнітного потоку трансформаторів);

3) живленням від загального  джерела.

Для ослаблення електричних  і магнітних зв'язків застосовують відповідне екранування. Ослаблення зв'язку через джерело живлення досягається  зменшенням його вихідного опору  і включенням розв'язуючих фільтрів. Крім того, не повинно бути зайвого запасу посилення.

 

1.3 Багатокаскадні підсилювачі

 

Принципи побудови багатокаскадних  підсилювачів.

У двохкаскадних підсилювачах на БТ використовуються різні комбінації включення транзисторів. Якщо вихідний опір джерела сигналу і опір навантаження підсилювача приблизно рівні і складають одиниці або десятки килоом, слід застосовувати каскади з ОЕ; при малих опорах (менше 100 Ом) — перший каскад з ОЕ або Про і другий каскад з ОК, а при великих опорах        (більше 100 кОм) — перший каскад з ОК і другий з ОЕ.

Якщо опір навантаження підсилювача значно перевищує опір джерела сигналу, слід використовувати  обидва каскади з ОЕ. При опорі навантаження підсилювача меншому, ніж вихідний опір джерела сигналу, рекомендується використовувати обидва каскади з ОЕ або перший каскад з ОЕ, а другий — з ОК.

Для багатокаскадних  підсилювачів приведені вище рекомендації відносяться до першого і останньому каскадам. Проміжні каскади виконуються  з ОЕ.

Гібридні підсилювачі, що містять ПТ і БТ, мають істотні переваги в порівнянні з підсилювачами, в яких використовуються транзистори якого-небудь одного вигляду. Наприклад, в підсилювачах, в яких чергуються каскади на ПТ і БТ, досягається значно більший коефіцієнт посилення потужності, оскільки ПТ, включені з ОІ або ОС, дозволяють одержати дуже великий коефіцієнт посилення струму, а БТ — велике посилення напруги (при навантаженні високим вхідним опором ПТ). Вхідний опір таких, підсилювачів легко зробити високим, а вихідний — низьким. Гібридні підсилювачі можуть бути однонаправленими, тобто володіти наступною властивістю: при подачі напруги сигналу на вихід напруга на вході відсутня. Однонаправленість підсилювача дозволяє досягти великого посилення   напруги при стійкій роботі.

Підсилювачі з вхідними каскадами на ПТ характеризуються дуже великим вхідним опором.

Двохкаскадний підсилювач, в якому перший каскад з ОІ, другий - з ОБ       (ОІ - ОБ), характеризується високими коефіцієнтом посилення напруги і вхідним опором, а також хорошій АЧХ. Такий підсилювач є практично однонаправленим, якщо опір навантаження каскаду з Про не дуже велике. Для отримання великого коефіцієнта посилення напруги опір навантаження повинен бути великим, проте при цьому погіршується АЧХ підсилювача у області вищих частот

Підсилювач, в якому  перший каскад з ОС, другою з ОБ (ОС - ОБ), відрізняється меншою вхідною місткістю і великим вхідним опором в порівнянні з підсилювачем по схемі ОІ — ОБ, проте його коефіцієнт посилення напруги менше. Підсилювач по схемі ОІ — ОЕ має порівняно малий вихідний опір (більш ніж на порядок менше в порівнянні з підсилювачами ОІ — ОБ і ОС — ОБ) і значно більший коефіцієнт посилення струму; АЧХ у області вищих частот дещо гірший. Дуже близький по властивостях до цього підсилювача підсилювач, виконаний по схемі  ОС — ОЕ. Підсилювач, в якому перший каскад з ОІ, другий з ОК (ОІ — ОК); має середній коефіцієнт посилення напруги, високий вхідний і дуже низький вихідний опір, тому використовується як перетворювач опорів. Недоліком цього підсилювача є порівняно велика вхідна місткість. Підсилювач, в якому перший каскад з ОС, другою з ОК (ОС — ОК), не підсилює напругу, може мати найменшу вхідну місткість і найбільший вхідний опір. Використовується як перетворювач опорів.

Підсилювачі з безпосереднім   зв'язком   між   каскадами характеризуються простотою (містять мало деталей), високими показниками якості  (порівняльно широким діапазоном робочих частот і малими   нелінійними спотвореннями),   стабільністю  параметрів   при заміні транзисторів, змінах напруги живлення і температури навколишнього середовища. Стабільність параметрів досягається введенням сильної НЗЗ по постійному струму, що подається з виходу підсилювача на перший каскад або охоплює два-три каскади.

З великого числа можливих варіантів подібних схем стабілізації режиму роботи транзисторів доцільно застосовувати тільки такі, які дозволяють досягти високої стабільності режиму і містять меншу кількість елементів. Одним з критеріїв високої ефективності стабілізації є малий опір резисторів, включених в ланцюзі баз транзисторів. При збільшенні опору в ланцюзі бази різко зростає дія зворотного струму колектора, що дестабілізує.

Підсилювачі з RC - зв'язком між каскадами також, як і підсилювачі з безпосереднім зв'язком, характеризуються простотою, малими габаритними розмірами і масою. Проте унаслідок впливу реактивних елементів зв'язку вони мають дещо гіршу АЧХ і менш економічні при однакових вимогах, що пред'являються до стабільності параметрів.

1.4 Підсилювачі потужності

 

Могутнім каскадом прийнято рахувати каскад, в якому транзистори віддають в навантаження потужність, близьку до максимально можливої. Основними вимогами, що пред'являються до могутніх вихідних каскадів, є отримання необхідної потужності в навантаженні і максимальний КПД при допустимих спотвореннях сигналу. Вимога максимального КПД має найбільше значення для підсилювачів з живленням від автономних джерел. Максимальне посилення потужності — другорядна вимога, оскільки необхідне посилення може бути одержане в інших каскадах.

Чим вищий КПД каскаду, тим менш могутній транзистор потрібен для отримання необхідної потужності. Максимальний КПД досягається при оптимальному навантаженні. Проте опір навантаження, як правило буває задано. Якщо воно значне відрізняється від оптимального, то для отримання високого КПД навантаження включають через трансформатор, що погоджує. Використовування трансформатора, що погоджує, на вході могутнього вихідного каскаду дозволяє одержати максимальний коефіцієнт посилення потужності передвихідним каскадом і мінімальний рівень спотворень при заданій потужності в навантаженні підсилювача. Застосування трансформаторів, що погоджують, в малогабаритних підсилювачах приводить до зниження КПД, оскільки малогабаритні недорогі трансформатори мають порівняно малий КПД.

Режими роботи транзисторів у вихідних каскадах. Транзистори  можуть працювати в режимах класів А, В або АВ. Режимом класу А називають такий режим, при якому вихідний струм протікає протягом всього періоду підсилюваного сигналу. Режим з таким відсіченням, при якій вихідний струм протікає практично тільки протягом напівперіоду сигналу, називають режимом класу В. Промежуточний режим, при якому вихідний струм протікає протягом більше одного напівперіоду сигналу, називають режимом класу АВ. Вибір режиму здійснюється подачею відповідної напруги між базою і емітером. У режимах класів АВ і В можуть працювати тільки двотактні каскади.

Однотактниє вихідні  каскади застосовуються іноді в  підсилювачах з малою вихідною потужністю, оскільки їх КПД не перевищує 40 %. Включення  транзистора з Про і ОК. не застосовується, оскільки приводить до зниження посилення потужності.

 

1.5 Схеми бестрансформаторних вихідних каскадів

 

Бестрансформаторні вихідні каскади виконуються по різних схемах і відрізняються видом провідності транзисторів, способом їх включення, режимом роботи (класи АВ і В), а також видом зв'язку з попереднім каскадом і навантаженням. Кращі показники якості мають каскади, 6 які використовуються транзистори різного виду провідності е достатньо близькими значеннями параметрів (комплементарніпари). Каскади, в яких використовуються транзистори одного виду провідності (квазікомплементарні пари), є принципово несиметричними, оскільки транзистори повинні бути включені по різних схемах (звично з ОЕ і ОК). Щоб зменшити нелінійні спотворення, доводиться вводити глибоку НЗЗ, що створює умови для появи динамічних спотворень. Тому квазікомплементарні пари транзисторів використовуються за відсутності комплементарних в підсилювачах, до яких не пред'являються вимоги високої якості відтворення сигналів, або в підсилювачах, в яких спотворення зменшуються спеціальними методами. Для отримання Малого вихідного опору підсилювача транзистори вихідного каскаду включають по схемі з ОК (рис, VI.22). Режим транзисторів установлюють, змінюючи опір між базам транзисторів. Для стабілізації режиму способом термокомпенсації між базами включається елемент з від’ємним ТКС (термістор або напівпровідниковий діод в прямому включенні). При безпосередньому зв'язку з попереднім каскадом для стабілізації режиму вводять глибоку НЗЗ по постійному струму.

При включенні транзисторів вихідного каскаду по схемі з  ОК коефіцієнт посилення напруги завжди менше одиниці, тому амплітуда вхідного сигналу перевищує амплітуду напруги на навантаженні. Максимальна амплітуда напруги на навантаженні повинна бути близька до половини напруги живлення (для отримання високого КПД каскаду). При живленні підсилювача від однополярного джерела навантаження доводиться включати через розділовий конденсатор. В цьому випадку корисна потужність в навантаженні і КПД каскаду на нижчих частотах зменшуються унаслідок падіння напруги на конденсаторі.

 

 

2   РОЗРОБКА    СТРУКТУРНОЇ   І    ПРИНЦИПОВОЇ         СХЕМИ   

   ПІДСИЛЮВАЧА

 

2.1 Розробка та обґрунтування структурної  схеми підсилювачів

 

В підсилювачах    використовуються    різноманітні    схеми.   Для наочного   зображення   пристрою   підсилювача   користуються   схемою електричною структурною  (рисунок 1),  на  якій  прямокутниками  з написами   зображують  основні   частини   пристрою,   виконуючі   певні функції, та основні взаємозв'язки між ними.

Звичайно підсилення сигналу, створюване одним каскадом, є недостатнім, тому застосовують багатокаскадні схеми підсилювачів. Сигнал, підсилений першим каскадом, подається на вхід другого, з виходу другого - на вхід третього і т.д. Тобто, здійснюється послідовне підсилювання сигналу колом каскадів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Структурна електрична схема підсилювача

 

Вхідний каскад є входом підсилювача. Призначення вхідного каскаду - забезпечення узгодження вихідного опору джерела сигналу з вхідним опором першого каскаду попереднього підсилювання. Якщо вихідний опір джерела сигналу рівний вхідному опору попереднього каскаду або набагато більший, то в цьому випадку вхідний каскад не треба застосовувати, а якщо менше то слід застосувати.

Як вхідний  каскад використовують каскад з загальним колектором, загальний витоком - такі каскади називають повторювачами.

Вимоги до каскадів попереднього підсилення виходять з їх призначення - підсилювати напругу або струм, створені джерелом сигналу на вході, до величини, необхідної для збудження каскадів підсилення потужності. Тому найбільш важливими показниками для попереднього каскаду є коефіцієнти підсилення напруги та струму, частотна характеристика і частотні спотворення.

Передкінцевий каскад є джерелом сигналу для кінцевого каскаду. Він повинен забезпечити такі умови роботи вхідного кола кінцевого каскаду, при яких останній зможе віддати в навантаження максимальну неспотворену потужність. Основні вимоги, які ставлять до передкінцевого каскаду, - велика амплітуда неспотвореного сигналу на виході та малий вихідний опір. Вибір схеми передкінцевого каскаду в конкретному підсилювачі залежить від виду та режиму кінцевого каскаду.

Кінцеві каскади відрізняються від каскадів попереднього підсилювання, в першу чергу, великим рівнем потужності сигналу. В підсилювачах низької частоти, працюючих на низькоомне навантаження, кінцевий каскад повинен віддавати визначену потужність на заданому опорі навантаження при коефіцієнті нелінійних спотворень, який не перевищує допустимої величини.