Cхемы усилительных каскадов на транзисторах

Навигация

• Карта сайта
• Электромагнитные колебания и волны
• Основные свойства слуха
• Акустические термины
• Акустические системы
• Динамические громкоговорители
• Электростаты
• Рупорные колонки
• Сабвуфер
• Высококачественные телефоны
• Микрофоны
• Аналоговые компараторы напряжения
• Усилители
  • Бестрансформаторные двухтактные каскады на транзисторах
  • Влияние ОС на параметры усилителей
  • Выходные каскады усилителей
  • Выходные усилители мощности
  • Двухтактный каскад, работающий в классе А
  • Дифференциальный усилитель
  • Дрейф нуля
  • КПД усилителей, работающих в классе А
  • Каскады мощного усиления (входные каскады).
  • Каскады предварительного усиления
  • Классификация и основные параметры усилителей
  • Классификация усилителей звуковых частот
  • Классы AB и В работы двухтактного каскада
  • Классы усиления транзисторных усилительных каскадов
  • Новые режимы работы (классы)
  • Обратная связь в усилителях
  • Обратная связь в усилителях и схемы их построения
  • Обратные связи в усилителях
  • Общие сведения о уси­лителях гармонических и импульсных сигналов
  • Однотактный трансформаторный каскад, работающий в классе А
  • Основные механические показатели усилителей
  • Основные показатели
  • Основные типы каскадов усилителей мощности однотактные и двухтактные
  • Основные характеристики и параметры усилителей
  • Прелварительный усилитель
  • Рабочие режимы усилительных элементов
  • Способы обеспечения рабочего режима транзистора
  • Сравнение схем включения транзисторов
  • Схемы межкаскадной связи
  • Усилители постоянного тока
  • Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером
  • Усилитель на полевом транзисторе
  • Факторы, влияющие на тепловой режим РЭА
• Элементы усилителей
• «THX» Tomlinson Holman eXperiment
• hi-fi и high-end
• Мировые школы электроакустики
• «Старый винил»
• Звуковые компакт-диски
• Магнитная запись
• Цифровые магнитофоны
• Цифровое представление звуковых сигналов
• Звук и компьютер
• midi
• Генераторы сигналов
• Электронные лампы
• Акустиа закрытых помещений
• Оптоэлектронные приборы
• Резисторы
• Катушка индуктивности
• Стабилитроны
• Варикапы
• Диоды
• Тиристор
• Транзисторы
• Конденсаторы
• Источники вторичного электропитания
• Активные фильтры
• Электропитание
• Антенно-фидерные устройства
• Конструкторского-техннолгическое обеспечение
• Возлействие окружающей среды на радиоэлектронную аппаратуру
• Технологии приборостроения
• статьи
• Радиоприем
• Микросхемы
• Электронные ключи
• Каналы и системы связи
• Основы телевидения
• Электрорадиоматериалы
• Операционные усилители
• Сигналы и методы их исследования
• Электрические сети
• sitemap

Дифференциальный усилитель

Еще одной распространенной схемой усилительного каскада является
дифференциальный усилитель. Схема дифференциального усилителя получила распространение благодаря высокой помехоустойчивости
входного дифференциального сигнала. Еще одним преимуществом данной схемы усилительного каскада является возможность применения
низковольтных источников питания. Дифференциальный усилитель образуется при соединении эмиттеров двух транзисторов на едином
сопротивлении или генераторе тока. Один из вариантом усилительного каскада, реализованного в виде дифференциального усилителя
приведен на рисунке 6.

Усилительные каскады, построенные по схеме дифференциального усилителя широко применяются в современных интегральных схемах,
таких как операционные усилители, усилители промежуточной частоты и даже полностью функциональные узлы, такие как приемник ЧМ
синалов, радиотракт сотовых телефонов, высококачественные смесители частоты и т.д.
Подробнее…

Полевые транзисторы

Так же очень распространенные на сегодняшний день компоненты. Их применяют даже чаще, чем биполярные. К примеру, инверторы теперь в основном только с полевыми, то есть биполярные приборы они уже стеснили. И если у вас возникает вопрос, можно ли заменить полевой транзистор биполярным, то ответ будет положительным. Однако в полевом плюсов намного больше, чем в биполярном.

Полевые усилители поглощают энергии намного меньше, чем биполярные, так как полевые управление фокусируют на напряжении и электрическим полем заряда, в то время когда биполярные же держатся на токе базы. Поэтому их предпочитают больше. Полевые транзисторы даже переключаются в разы быстрее, чем биполярные. К тому же они имеют хорошую термоустойчивость. И для того, чтобы переключить направления электрического тока, полевые транзисторы вправе соединяться параллельно и без резисторов, просто нужен драйвер, подходящий для этого.

Если же говорить о замене полевых триодов, то и здесь есть способ поиска их аналогов. В принципе в поиске с биполярными не сильно отличается, можно сказать даже, что будет практически таким же. Но разница небольшая есть: нет той проблемы с передачей тока, как у биполярного транзистора. Нельзя забывать о сток-исток, нужно помнить о запасе.

К тому же у полевого есть такой параметр, как сопротивление открытого канала. Вот от него легко определить, что будет с мощностью, и как она будет рассеиваться

Ну и, конечно же, очень важно рассчитывать это сопротивление открытого канала, так как можно потерять много энергии и напряжении при переходе не будет слишком высоким

Чем можно заменить полевые транзисторы?

Крутизна S также очень важна при поиске аналога. Данный параметр будет показывать состояние тока стока при напряжении затвора. Это позволит определить, сколько понадобится напряжения для коммутации.

Помните, что выбирать важно и исходя от порогового напряжения затвора, если напряжение будет в разы меньше порогового, то нормального функционирования от вашего аналога ждать не придется. Цепь при получении напряжения не получит нужного и вся мощность, точнее ее рассеивание останется на приборе, а для него этого нежелательно, ведь может случиться перегрев

В даташите еще говорится, что мощность рассеяния обоих приборов одинакова: и зависит это от корпуса. Если корпус большой, то получение тепловой мощности будет безопаснее рассеиваться.

Емкость затвора так же очень важна в случае данного предмета

Очень важно, чтобы затвор не был крайне тяжелым, и необходимо помнить об этом при выборе. Будет очень хорошо, если он будет меньше в разы, так как это принесет удобство и легкость в использовании данного механизма

Однако если вам нет необходимости перепаивать, то спокойно можно выбрать размер, который идеально подойдет, схожий с оригиналом.

К примеру, сейчас довольно часто меняют IRFP460 на более новую и современную 20N50, так как у него затвор крайне легкий. Опять-таки даташит скажет то же самое, указав на массу схожести, несмотря на преимущество второго.

Самые интересные ролики на Youtube

Измерение выходной мощности усилителя с использованием осциллографа.

Для проведения измерения нужно подключить один из каналов усилителя, либо к колонке, если её расчётная мощность заведомо больше, либо к эквиваленту нагрузки сопротивлением равным сопротивлению колонки.

В качестве эквивалента нагрузки можно использовать резистор типа ПЭВ, мощностью 10 – 100 Ватт. (Ограниченное время резисторы марки ПЭВ могут рассеивать мощность в несколько раз больше расчётной).

Пример использования резистора ОПЭВ-50 (8Ω, 50 Ватт).

В зависимости от схемы соединения можно получить нагрузку в 2, 4 или 8 Ом.

На вход усилителя нужно подать синусоидальный сигнал частотой 100 – 200 Герц (можно обойтись и обычным музыкальным сигналом) и, постепенно увеличивая громкость, посмотреть по экрану осциллографа, при каком напряжении на выходе усилителя начнётся ограничение выходного сигнала по амплитуде.

При измерении максимальной выходной мощности, нельзя подавать на вход усилителя, подключенного к многополосным АС, сигнал высокой частоты от генератора, так как это может привести к перегрузке высокочастотного или среднечастотного динамика.

На картинке осциллограммы синусоидального «1» и музыкального «2» сигналов. Стрелкой отмечен уровень сигнала, который нужно использовать при расчёте мощности.

Затем можно подставить результат в формулу:

P = (U x U) : (2 x R)

P– выходная мощность усилителя в Ваттах,

U – выходное напряжение усилителя в Вольтах,

R – сопротивление нагрузки (колонки) в Омах.

Пример:

[28 (Вольт) x 28 (Вольт) : [2 x 4 (Ома)= 98 Ватт

Измерение выходной мощности усилителя с использованием вольтметра.

В отсутствие осциллографа, для измерения выходной мощности усилителя, можно обойтись и любым вольтметром, например, стрелочным тестером или мультиметром.

Для этого достаточно собрать простую схему, которая превратит любой вольтметр, в измеритель пикового напряжения.

Правда, тогда в качестве источника сигнала придётся использовать задающий генератор низкой частоты, так как при музыкальном сигнале на входе, нельзя будет получить достоверные результаты.

Схема подключения.

R1 — 4 или 8 Ω (в зависимости от сопротивления колонок);

VD1 — любой диод на напряжение 50 Вольт и выше;

С1 — 0,47 — 1,0 µF любой «сухой» конденсатор на напряжение 50 Вольт и выше;

PV1 — любой вольтметр постоянного тока на напряжение 50 – 100 Вольт.

Синусоидальный сигнал звуковой частоты можно получить при использовании программного генератора низкой частоты.

На картинке показано, как выглядит один из таких генераторов и каково положение органов его управления при измерении мощности.

Как подключить линейный выход звуковой карты компьютера ко входу звукового усилителя мощности описано здесь

Программу «Генератор низкой частоты», не требующую инсталляции, можно скачать отсюда (в архиве 352КБ).

6.1. Основные особенности и качественные показатели ВКУ

Назначение ВКУ – обеспечить при заданном сопротивление нагрузки требуемый уровень сигнала. Если нагрузка активная, то ВКУ должен обеспечить необходимую мощность сигнала:

Если же нагрузка реактивная, например, С_Н, то необходимое выходное U_ВЫХ. Требуемый уровень выходного сигнала должен обеспечиваться при допустимых линейных и нелинейных искажениях, а также при возможности меньшем потреблением энергии источника питания. Для получается максимальной отдаваемой мощности УЭ должен работать в оптимальных условиях и иметь оптимальное сопротивления нагрузки:

;

Поскольку ВКУ работает при больших уровнях сигнала, то он создаёт основные нелинейные искажения усилителя, т.е. ВКУ работает в режиме “больших сигналов”.

ВКУ потребляет основную мощность источника питания, и экономичность является одной из основных характеристик:

где P = E_П·i – потребляемая мощность. КПД можно представить и в другом виде:

(6.1)

i = I_CP – среднее значение тока; в режиме класса А равное току в РТ. – коэффициент использования усилительного элемента по току; – коэффициент использования усилительного элемента по напряжению; – коэффициент использования источника питания. Уравнение (6.1) показывает, что КПД зависит от коэффициентов использования усилительного элемента и его режима работы.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно. В операционном усилителе все происходит подобным образом

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Измерить ток покоя выходного транзистора

Током покоя называют коллекторный ток, который проходит по транзисторам выходных каскадов при условии, что сигнал отсутствует. В условно-идеальных (невозможных на самом деле) условиях значение такого тока должно находиться на нулевой отметке. На деле это не совсем так, собственная температура и характерные различия разнотипных транзисторов влияют на данный показатель. В наихудшем случае возможен перегрев, который станет причиной теплового пробоя транзистора.

Кроме того, существует ещё один показатель — напряжение покоя. Он демонстрирует значение напряжения соединительной точки транзисторов. Если питание у каскада двухполярное, то напряжение будет равно нулю, а если однополярное, тогда напряжение составляет 1/2 питающего напряжения.

На роль стабилизатора обычно берётся дополнительный транзистор, которые в качестве балласта подсоединяется к базовым цепям (наиболее часто он при этом оказывается прямо на радиаторе, максимально близко к выходным транзисторам).

Чтобы выявить, каков ток покоя выходных транзисторов или каскадов, необходимо при помощи мультиметра измерить данные по падению напряжения для его эммитерных резисторов (значения обычно выражаются в милливольтах), а потом, опираясь на закон Ома и данные по реальному сопротивлению, можно будет вычислить нужный показатель: значение падения напряжения разделить на значение реального сопротивления — значения тока покоя для данного выходного транзистора.

Все замеры необходимо производить весьма осторожно, иначе придётся производить замену транзистора.

Есть ещё один способ, гораздо менее травмоопасный. Взамен предохранителей потребуется установить сопротивление в 100 Ом и минимальную мощность в 0,5 Ватт для каждого канала. При отсутствии предохранителей сопротивление подсоединяется к разрыву питания. После осуществляется подача питания усилителю, производятся замеры показаний по падению напряжения на приведённом выше уровне сопротивления. Дальнейшая математика до крайности проста: падению напряжения в 1 В соответствует ток покоя величиной в 10мА. Аналогичным образом при 3,5 В получится 35 мА и так далее.

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Широкополосные усилители

Они позволяют  усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть  резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Классификация выходных каскадов

Есть несколько методов сборки выходного каскада:

• Из транзисторов, имеющих различную проводимость. Для этих целей чаще всего используют «комплементарные» (близкие по параметрам) транзисторы.
• Из транзисторов, имеющих одинаковую проводимость.
• Из транзисторов составного типа.
• Из полевых транзисторов.

Работа усилителя, сконструированного, при помощи комплементарных транзисторов, отличается простотой: положительная сигнальная полуволна запускает работу одного транзистора, а отрицательная — другого. Необходимо, чтобы плечи (транзисторы) работали в одинаковых режимах и для реализации этого используется базовое смещение.

Если усилитель использует в работе одинаковые транзисторы, то никаких принципиальных отличий от первого варианта это не имеет. За исключением того факта, что для подобных транзисторов сигнал отличаться не должен.

При работе с остальными разновидностями усилителей необходимо помнить, что отрицательное напряжение для p-n-p транзисторов, и положительное — для n-p-n транзисторов.

Обычно звание усилителя мощности принадлежит именно оконечному каскаду, поскольку он работает с самыми большими величинами, хотя с технической точки зрения так можно называть и предварительные каскады. К числу основных показателей усилителя можно отнести: полезную, отдаваемую в нагрузку мощность, КПД, полосу усиливаемых частот, коэффициент нелинейных искажений. На эти показатели весьма сильно влияет выходная характеристика транзистора. При создании усилителя напряжения может быть использована однотактная и двутактная схемы. В первом случае режим работы усилителя линейный (класс А). Данная ситуация характеризуется тем, что протекание тока по транзистору длится до тех пор пока не окончится период входного сигнала.

Однотактный усилитель отличается высокими показателями по линейности. Однако эти качества могут искажаться при намагничивании сердечника. Для предотвращения подобной ситуации необходимо озаботиться наличием цепи трансформатора с высоким уровнем индуктивности для первичной цепи. Это отразится на размерах трансформатора. К тому же, ввиду принципа его работы, он обладает достаточно низким КПД.

В сравнении с ним данные по двутактному усилителю (класс B) куда выше. Данный режим позволяет искажать форму транзисторного тока на выходе. Это увеличивает результат отношения переменного и постоянного токов, снижая вместе с тем уровень потребляемой мощности, это и считается самым главным плюсом применения двутактных усилителей. Их работа обеспечивается подачей двух равных по значению, но фазно противоположных напряжений. Если отсутствует трансформатор со средней точкой, то можно воспользоваться фазоинверсным каскадом, который снимет противоположные по фазе напряжения с соответственных резисторов цепей коллектора и эмиттера.

Существует двухтактная схема, не включающая в себя выходной трансформатор. Для этого потребуются разнотипные транзисторы, работающие как эмиттерные повторители. Если оказывать воздействие двуполярным входным сигналом, то будет происходить поочерёдное открытие транзисторов, и расхождение токов по противоположным направлениям.