Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 29 страниц)

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_нf_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 R₁.

В диапазоне низких частот шунтирующим влиянием емкости С_хможно пренебречь. В этом случае эффективное сопротивление увеличивается до R₁ + 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 (Д₁, R₁, R₂, R₃), 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 Т₁ типа n-р-n. Поскольку напряжение базы транзистора Т₁ 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 Т₂. Напряжение эмиттера этого транзистора составляет 12,7 В, что обеспечивает отрицательное смещение базы относительно эмиттера в кремниевом транзисторе Т₂ 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 n₂ к числу витков первичной n₁

p = n₂/n₁

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

p = U₂/U₁

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 = I₁/I₂

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

Z₂/Z₁ = 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.