Режимы (классы) мощных усилительных каскадов

• Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
• В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления

Упрощенная схема двухтактного трансформаторного каскада усиления мощности и графики, иллюстрирующие его работу, приведены на (рис. 10). В нем, как видите, два трансформатора и два транзистора. Трансформатор Т1 межкаскадный, связывающий предоконечный каскад со входом усилителя мощности, а трансформатор Т2 - выходной. Транзисторы V1 и V2 включены по схеме ОЭ. Их эмиттеры, как и средний вывод вторичной обмотки межкаскадного трансформатора, «заземлены» - соединены с общим проводником источника питания Uи.п. - отрицательное напряжение питания на коллекторы транзисторов подается через первичную обмотку выходного трансформатора Т2: на коллектор транзистора V1 - через секцию Iа, на коллектор транзистора V2 - через секцию Iб. Каждый транзистор и относящиеся к нему секции вторичной обмотки межкаскадного трансформатора и первичной обмотки выходного трансформатора представляют обычный, уже знакомый вам однотактный усилитель. В этом нетрудно убедиться, если прикрыть листком бумаги одно из таких плеч каскада. Вместе же они образуют двухтактный усилитель мощности. Сущность работы двухтактного усилителя заключается в следующем. Колебания звуковой частоты (графика на рис. 10) с предоконечного каскада подаются на базы обоих транзисторов так, что напряжения на них изменяются в любой момент времени в противоположных направлениях, т.е. в противофазе. При этом транзисторы работают поочередно, на два такта за каждый период подводимого к ним напряжения. Когда, например, на базе транзистора V1 отрицательная полуволна, он открывается и через секцию Iа первичной обмотки выходного трансформатора идет ток только этого транзистора (график б). В это время транзистор V2 закрыт, так как на его, базе положительная полуволна напряжения. В следующий полупериод, наоборот, положительная полуволна будет на базе транзистора V1, а отрицательная - на базе транзистора V2.

Рис. 10. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности и графики, иллюстрирующие его работу.

Теперь открывается транзистор V2 и через секцию Iб первичной обмотки выходного трансформатора идет ток его коллектора (график в), а транзистор V1, закрываясь, «отдыхает». И так при каждом периоде звуковых колебаний, подводимых к усилителю. В обмотке трансформатора коллекторные токи обоих транзисторов суммируются (график г), в результате на выходе усилителя получаются более мощные электрические колебания звуковой частоты, чем в обычном однотактном усилителе. Динамическая головка В, подключенная ко вторичной обмотке трансформатора, преобразует их в звук.

Теперь, пользуясь схемой на (рис. 4.10), разберемся в принципе работы бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности. Здесь также два транзистора, но они разной структуры: транзистор VT2 - p - n - p, транзистор VT1 - n - p - n. По постоянному току транзисторы включены последовательно, образуя как бы делитель напряжения питающего их источника постоянного тока. При этом на коллекторе транзистора VT2 относительно средней точки между ними, называемой точкой симметрии, создается отрицательное напряжение, равное половине напряжения источника питания, а на коллекторе транзистора VT1 - положительное, и также равное половине напряжения источника питания E_К. Таким образом, транзисторы по переменному току включены по схеме ОК (эмиттерными повторителями) и работают на одну общую нагрузку R_Н.

Рис. 4.10. Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности ( выходной каскад на комплементарной паре)

На базах обоих транзисторов усилителя действует одинаковое по значению и частоте переменное напряжение, поступающее от предоконечного каскада. Т. к. транзисторы разной структуры, то и работают они поочередно, на два такта: при отрицательной полуволне напряжения открывается только транзистор VТ2, а при положительной полуволне открывается только транзистор VТ1. Практически получается тот же эффект, что и в усилителе с трансформаторами, но, благодаря использованию транзисторов разной структуры, отпадает надобность в устройстве для подачи на базы транзисторов сигнала в противофазе.

Усиление без искажений, когда амплитуда переменной составляющей коллекторного тока не превышает тока покоя Iк.п., называется классом усиления (А). Одиночный усилитель, работающий в классе А, называется однотактным усилителем. Если при усилении часть сигнала «срезается», если амплитуда переменной составляющей коллекторного тока больше, чем Iк.покоя, и в коллекторной цепи происходит отсечка тока, то мы получаем один из классов усиления (АБ), (Б) или (С). Два транзистора, работающих в классе Б: один воспроизводит положительные полупериоды сигнала, другой – отрицательные, оба они работают на общую нагрузку. В этом случае мы получим в нагрузке нормальный неискаженный переменный ток - сигнал как бы сшитый из двух половинок такая схема называется двухтактной.Схемы фазоинверторов создают два противофазных напряжения, которые необходимо подать на базы транзисторов двухтактной схемы. Для работы транзистора в режиме усиления на его базу (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор и устраняющее искажение типа ступенька.

Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) — объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току.

http://www.skilldiagram.com/gl2-16.html

Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1-0,2 В,

для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 В.

Составной транзистор, т. е. транзистор о большим коэффициентом передачи тока, можно получить, соединив соответствующим образом два (или более) транзистора с малыми коэффициентами прямой передачи тока. В связи с большой распространенностью схем на составных транзисторах стоит рассмотреть их подробнее. Начнем c зависимостей:
Коэффициент прямой передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи транзисторов. Наибольшая мощность рассеивается на коллекторе второго транзистора (первый может быть малой мощности). Следует обращать внимание на суммарную величину обратных токов коллектора. Составным транзистором называется соединение двух и более транзисторов, эквивалентное одному транзистору, но с большим коэффициентом усиления или другими отличительными свойствами. Известно несколько схем составного транзистора.

1. Схема Дарлингтона. Она характеризуется тем, что входные цепи всех входящих в нее транзисторов соединены последовательно, а выходные цепи – параллельно. Транзисторы VT 1 и VT 2, входящие в состав составного транзистора, можно представить в виде одного транзистора с выводами эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К). Коллекторный ток составного транзистора равен сумме коллекторных токов, входящих в него транзисторов:

Составной транзистор по схеме Дарлингтона.

Составной транзистор на комплементарных транзисторах – транзисторов противоположных типов электропроводности p-n-p и n-p-n. Эта схема составного транзистора эквивалентна эмиттерному повторителю – транзистору, включенному по схеме с общим коллектором. Он имеет большое входное сопротивление и малое выходное, что очень важно во входных каскадах усиления.

Схема на комплементарных транзисторах

3. Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме. Она характеризуется тем, что транзистор VT 1 включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор VT 2 – по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме сообщим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства и большую неискаженную мощность в нагрузке.

Рис. 3.47. Каскодная схема

 

Соединение из двух или трёх транзисторов – составной транзистор – позволяет получить существенное увеличение коэффициента усиления по току или другие отличительные свойства по сравнению с одиночным транзистором.

http://kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_3/glv_3_page_13.html

 

Каскодный усилитель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой).

Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от сращивания слов в словосочетании «КАСКад через катОД» (англ. "CASCade to cathODE")

Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы.

Кроме напряжения синусоидальной формы в практике электротехники и электроники применяются напряжения других форм. Наиболее широко применяется импульсное напряжение. Импульсным называется прерывистое во времени напряжение (сигнал) любой формы. Под формой сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока. Широкое применение импульсных сигналов обусловлено рядом причин. Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную информацию.

Мультивибраторами называют электронные устройства, генерирующие электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной. "мульти - много", "вибро - колеблю".

Мультивибратор – это устройство, имеющее два квазиравновесных состояния. Самопроизвольно переключается (за счет перезарядов конденсаторов) из одного состояния в другое, генерируя при этом импульсы прямоугольной формы. Схема двухкаскадного транзисторного усилителя, м ежду каскадами положительная обратная связь и усилитель самовозбудится станет генератором релаксационных колебаний. Релаксационные колебания – это чередование неизменного напряжения с резким изменением напряжения, т. е. импульсы напряжения прямоугольной формы.

В режиме насыщения во входной цепи транзистора протекает достаточно большой ток базы, при котором ток коллектора достигает максимального значения Iк нас2, близкого к Iк max– максимально возможному току в цепи источника питания. При этом напряжение Uкэ транзистора имеет минимальное значение Uкэ0, близкое к нулю, что позволяет представить транзистор в виде замкнутого ключа.

Транзистор в режиме отсечки можно представить в виде разомкнутого ключа, так как практически все напряжение источника питания падает между его эмиттером и коллектором, а ток коллектора Iк близок к нулю.

Отсюда и название этого режима работы – ключевой. http://kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_3/glv_3_page_11.html.

Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию транзистора, т.к. сопротивление транзистора сравнимо с закороткой.

Наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение - закрытому состоянию транзистора, т.к. сопротивление транзистора сравнимо с разрывом цепи.

Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180°: когда один из транзисторов открыт, второй закрыт.

Демонстрационный вариант выполнения задания.

Период одного колебания равен 3 - 4 сек., попытайтесь изобразить эти колебания графически.

По горизонтальной оси ординат откладывайте в некотором масштабе отрезки времени нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях. По вертикальной - соответствующий этим состояниям коллекторное напряжение

.

В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, т. к. на их базы через соответствующие им резисторы Rб2 и Rб1 подаются положительные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи: С1 - через эмиттерный переход транзистора V2 и резистор R1; С2 - через эмиттерный переход транзистора V1 и резистор R2. Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению положительные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы. Открывание транзистора вызывает снижение положительные напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение положительные напряжения на базе другого транзистора, закрывая его. Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое отрицательное напряжение, например, из - за разницы коэффициентов передачи токов h21э номиналов резисторов и конденсаторов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются.

Пусть в момент времени t1 транзистор VТ1 открыт, т.е. насыщен током текущим в его базу через сопротивление R б1, а транзистор VТ2 за счет остаточного заряда на конденсаторе С1 – закрыт, ток протекающий по контуру - (+ Е R б1,2 открытый транзистор VТ1, общая точка) разряжает конденсатор С1, потенциал на базе транзистора VТ2 растет и в момент времени t2 становится отпирающим, что приводит к тому, что транзистор VТ2 начинает открываться, появление коллекторного тока VТ2 вызывает снижение напряжения на его коллекторе. Это изменение через конденсатор С2 подается в базу транзистора VТ1. Благодаря усилению тока транзистором VТ2, изменение тока в цепи С2 оказывается достаточно велико чтобы транзистор VТ1 начал выходить из насыщения. Теперь ток, раньше проходивший через его коллекторную цепь начинает ответвляться через конденсатор С1 в базу транзистора VТ2, тем самым увеличивая процесс отпирания транзистора VТ2. Т.к. после отпирания транзистора VТ2 и по мере снижения тока транзистора VТ1, ток через конденсатор С2 становится все меньше тока транзистора VТ2 и транзистор VТ2 переходит в состояние насыщения, а транзистор VТ1 закрывается перед началом этого процесса, напряжение на конденсаторе С2 было равно примерно напряжению питания. Напряжение на С2 не может измениться за короткое время опрокидывания, поэтому скачок напряжения с коллектора VТ2 подается в базу транзистора VТ1, где возникает отрицательный потенциал, далее происходит разряд конденсатора С2, по цепи – (+ Е R б1 С2 открытый транзистор VТ2, общая точка).

ГЛИН - генератор линейно изменяющихся напряжений для преобразования напряжения прямоугольной формы в напряжение пилообразной (треугольной) формы.

Триггер – это импульсное устройство, имеющее два устойчивых состояния равновесия, переходит из одного состояния в другое при подаче на вход внешнего сигнала. Представляет собой элементарную ячейку памяти. По структуре – это двухкаскадный ключ с резистивными коллекторными положительными обратными связями между каскадами.

 

 

Рис.8.1. Принципиальная схема триггера

1 – е состояние: транзистор VТ1 – насыщен, VТ2 – закрыт.

2 – е состояние: транзистор VТ1 – закрыт, VТ2 – насыщен.

Рис.8.2. Временные диаграммы работы триггера

1 – е состояние:

На коллекторе транзистора VТ2, имеется положительное напряжение H U пит. Это напряжение через сопротивление R б1 подано на базу уже открытого транзистора VT 1 и подтверждает его открытое состояние. Напряжение на коллекторе транзистора VТ 1 в идеальном случае = 0 и через R б2 подается на базу транзистора VТ 2. Т. о. это состояние триггера является устойчивым, и при отсутствии внешних сигналов, триггер может находиться в этом состоянии сколь угодно долго.

Предположим на базу транзистора VТ 2 подали положительное отпирающее напряжение, транзистор VТ 2 начнет открываться, напряжение на его коллекторе начнет падать. Уменьшение этого напряжения приводит к тому, что транзистор VТ 1 начинает закрываться, следовательно напряжение на его коллекторе увеличивается и будучи поданным в базу транзистора VТ 2, еще больше его открывает, т.е. в триггере существует положительная обратная связь, в результате которой после воздействия входного импульса триггер отпирается, т.е. скачком перейдет в другое состояние равновесия. В этом состоянии триггер может находиться сколь угодно долго до прихода следующего управляющего импульса, т.е. можно говорить, что триггер хранит информацию об управляющем импульсе. Для того, чтобы надежно запирать транзисторы применяют схемы смещения. И кроме того параллельные R б1,2 включают конденсаторы, которые ускоряют процесс.

Триггер в интегральном исполнении

Микроэлектроника - это современная квинтэссенция электроники, в которой ее информационные свойства достигают максимума, то есть плотность потоков информации на единицу веса намного превосходят таковую в остальной электронике, а тем более в электротехнике. Интегральная микросхема – это микроминиатюрное устройство элементы, которого неразрывно связаны технологически и электрически.

В большинстве современных ЭВМ и цифровых устройствах различного назначения обработка информации происходит с помощью двоичного кода, когда информационные сигналы могут принимать только два значения: 1 и 0. Операции по обработке двоичной информации выполняют логические элементы. Логические элементы - это электронные схемы, которые реализуют функции алгебры логики. Функцию называют логической, в которой аргумент и функция принимают только два значения: 0 и 1.

 

В последнее время в основном распространены три типа схемотехнических реализаций логических элементов.

1.Элементы ТТЛ – транзисторно–транзисторная логика и ее разновидность ТТЛШ, на основе транзисторов Шоттки.

Основные серии: ТЛК 155, К 133, К 134, К 1555, К 1531 - ТТЛШ

2.КМОП - логика на комплиментарных МОП – транзисторах: К 176, К 561

3.Элементы ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика: К 500, К 1500.

Характеристика серий:

а.) ЭСЛ, время переключения состояний 0,1 нс. В то же время этот тип является наиболее энергоемким. Потребляющая мощность до 50 млВт.

б.) Наименее быстродействующим является КМОП – логика, и в то же время она является наименее энергоемкой. Время переключения составляет от 40- 50 нс. Потребляемая мощность 0,1;0,01 млВт.

в.) ТТЛ – микросхемы являются средним, как по потребляемой мощности 20 млВт, так и по времени переключения 10 - 20 нс. У ТТЛШ микросхем при меньшем потреблении достигнуто большее быстродействие, составляющее единицы нс.

Устройства, выполняющие обработку импульсных сигналов, называются импульсными устройствами. Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.

У схем в интегральном исполнении следующие графические обозначения:

 

Используя набор логических элементов, выполняющие элементарные логические операции И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ, И–НЕ можно реализовать в двоичном коде любую сложную логическую функцию.

Параметры логических интегральных микросхем

1. Входное U¹_вх и выходное U¹_вых напряжение логической единицы – значение высокого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

2. Входное U⁰_вх и выходное U⁰_вых напряжение логического нуля – значение низкого уровня напряжения на входе и выходе микросхемы;

3. Входной I¹_вх и выходной I¹_вых токи логической единицы, входной I⁰_вх и выходной I⁰_вых токи логического нуля;

4. Коэффициент объединения по входу К_об, показывающий, какое число аналогичных логических ИМС можно подключить к входу данной схемы, и определяющий максимальное число входов логической ИМС;

Диодно-транзисторная логика. ДТЛ.

Одним из первых семейств цифровой логики мы рассмотрим диодно-транзисторную логику. Основная схема ДТЛ приведена в соответствии с рисунком 1а. Если отбросит часть схемы, изображенную пунктиром, схема превращается в инвертор, и по ней можно построить передаточную характеристику. Из графика видно, что интервалы напряжений, соответствующие логическим состояниям 0 и 1, примерно равны 0≤U₀≤1.2B, 1.5≤U₁≤5В. Практически U₀ обычно меньше 0,4В, а U₁ очень близко к 5В. Семейство ДТЛ содержит элементы И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Это семейство удобно для конструктора, так как имеет большой набор различных элементов. Большинство схем содержит несколько незадействованных входных клемм, которые рекомендуется соединять с положительным полюсом источника питания или заземлять. Это увеличивает помехозащищенность и уменьшает время задержки передачи. Задержка передачи для типичного элемента ДТЛ составляет 30 нс. Это сравнительно большая величина.

Транзисторно-транзисторные логические элементы. ТТЛ.

Простейший базовый элемент ТТЛ, за счет использования многоэмиттерного транзистора, объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы. Схема базового логического элемента И-НЕ ТТЛ. На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1.

Если же хоть на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R2, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ.

Состояние VT3 в статических режимах работы схемы, в соответствии с рисунком 3, всегда противоположно состояниюVT5, а следовательно, VT₂. При насыщенном VT5 транзистор VT3 закрыт. (Диод VD) или составной транзистор (VT3- VT4) повышает порог отпирания VT3, обеспечивая его закрытое состояние при насыщенном транзисторе VT5.

Транзистор VT1 многоэмиттерный, реализует совместно с резистором R1 функцию И над входными переменными. Транзистор VT2 с резисторами R2, R3 образуют фазорасщепляющий каскад, который формирует на эмиттере и коллекторе сигналы с разными фазами. То есть, если на эмиттере под действием входных сигналов напряжение растёт, то на коллекторе падает и наоборот.

Транзисторы VT3, VT5 являются транзисторами выходного каскада, которые

открываются поочерёдно.

 

Если на входах логические единицы, то током резистора R1 через коллектор VT1 открывается транзистор VT2. Эмиттерный ток этого транзистора открывает транзистор VT5, на выходе которого формируется нуль. На коллекторе VT2 в это время присутствует напряжение 0.7В, что является повторением напряжения на эмиттере транзистора VT2. В этом режиме VT3 должен быть закрыт. Чтобы это было возможно при указанных напряжениях, в выходном каскаде используется диод VD(рис.4б) или составной транзистор. Транзистор VT1 работает при этом в инверсном режиме, то есть коллектор его выступает в роли эмиттера, а эмиттер – в роли коллектора.

 

В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором (Рис. а).

Схема базового элемента со сложным инвертором лежит в основе разработок большинства серий интегральных микросхем ТТЛ. Для расширения функциональных возможностей элемента промышленностью выпускают так называемые расширители по ИЛИ, в соответствии с рисунком 4а, которые представляют собой часть структуры ТТЛ. Логическая схема (рис 4б) реализует функцию И-ИЛИ-НЕ. На выходе схемы устанавливается логический нуль, если на всех выходах VT₁ поступают сигналы, соответствующие логической единице. При всех остальных комбинациях сигналов на выходах схемы выходное напряжение соответствует логической единице.

Под нагрузочной способностью элемента ТТЛ понимают число входов других элементов, которые можно подсоединить к выходу этого элемента.

Существенного повышения быстродействия ключа можно достичь применением применением диода Шотки, включаемого в качестве компонента нелинейной отрицательной обратной связи параллельно коллекторному переходу, анодом к базе. Комбинация транзистора с диодом Шотки образует так называемый транзистор Шотки. Если логические элементы используют такие транзисторы в своём составе для повышения быстродействия, то в их названии появляется дополнительное слово «Шотки» или его сокращение в виде буквы «Ш». Например, элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), использующие диоды Шотки, называют ТТЛШ. При одинаковом быстродействии с элементами без нелинейной обратной связи они потребляют мощность примерно в 4 раза меньше.

Базовые логические элементы эмиторно-связной логики БЛЭ ЭСЛ.

Причиной появления БЛЭ ЭСЛ явилось желание повысить быстродействие цифровых устройств. Это желание привело к использованию в них совершенно отличного от ТТЛ схемотехнического решения. Основой БЛЭ ЭСЛ является токовый ключ, выполненный на двух транзисторах, в соответствии с рисунком 6. На базу одного из них, например VT₂, подано некоторое постоянное опорное напряжение U_оп. Изменение напряжения подаваемого на вход х₀ ниже или выше U_оп приводит к перераспределению постоянного тока I_э, заданного токостабилизирующим резистором R_э, между транзисторами VT₁ и VT₂. При этом транзисторы не попадают в режим насыщения и, следовательно, в ключе принципиально отсутствует интервал рассасывания их неосновных носителей. Таким образом, особенностью БЛЭ ЭСЛ является постоянство потребляемого тока независимо от выходного сигнала ключа.