План лекции

1. Усилитель постоянного тока

2. Дифференциальный усилитель

3. Двухтактный усилитель мощности

1. Усилитель постоянного тока

Как уже говорилось в предыдущих лекциях, применение разделительных конденсаторов в транзисторных усилителях вносят искажения в выходной сигнал, поскольку срезают нижнюю часть спектра входного сигнала. Этот недостаток может оказаться критическим, не допуская применения данной схемы в каком-либо устройстве. Таким образом, разделительные конденсаторы являются проблемой транзисторных усилителей, ограничивая полосу их пропускания и снижая качество самого усилителя.

Решением этой проблемы являются усилители постоянного тока (УПТ), позволяющие усиливать входной сигнал сколь угодно низкой частоты, вплоть до единиц Герц. Это достигается специальными схемотехническими средствами, в частности, наличием двуполярного источника питания, позволяющего отказаться от применения разделительных конденсаторов. Схемное решение для УПТ широко применяется в современной электронике, особенно в тех случаях, когда требуется произвести усиление сигнала с низкочастотными составляющими.

На рис. 4.1 показан простой двухтранзисторный УПТ. С помощью делителя напряжения R₄, R₅, R₃ потенциал эмиттера транзистора T₁ поддерживается несколько ниже, по отношению к земле (- 0,6 В). Таким образом, транзистор Т₁ будет открытым, если его база имеет потенциал земли.

На выходе транзистора Т₁ (на его коллекторе) должен присутствовать положительный потенциал, по отношению к базе; с другой стороны, он также должен быть равен потенциалу земли, чтобы при отсутствии сигнала на входе, его не было и на выходе. Эта задача решается с помощью p-n-p транзистора Т₂, который сдвигает выходное напряжение покоя обратно к нулю, осуществляя, в то же время, дополнительное усиление сигнала.

На транзисторе Т₂ реализована простая схема стабилизированного по постоянному току каскада, работающего от двух источников питания – 9 В и + 9 В, в которой потенциал базы транзистора задаётся не делителем напряжения, а коллектором транзистора Т₁.

УПТ будет работать оптимально, если 0 В на его входе будет давать 0 В на его выходе. Если эти условия не выполнены, то говорят о начальном смещении усилителя. Для его устранения служит переменный резистор R₅, с помощью которого можно добиться выполнения этого условия.

Идя назад по схеме усилителя со стороны его выхода, видим, что требование равенства нулю потенциала коллектора Т₂ означает падение напряжения на R₇, равного 9 В. Значит, ток эмиттера Т₂ равен I_э2 = 9/4700 = 1,9 мА. Этот ток будет создавать падение напряжения на резисторе R₆, равное U_R6 = 1,9 ∙ 1 = 1,9 В. Значит, потенциал эмиттера Т₂ будет равен U_эТ2 = 9 – 1,9 = 7,1 В. При этом потенциал базы Т₂ должен быть ниже потенциала эмиттера на величину 0,6 В, то есть U_бТ2 = 7,1 – 0,6 = 6,5 В. Именно такое напряжение должно быть установлено на коллекторе Т₁ для уравновешенного состояния усилителя.

Главная трудность при работе с УПТ состоит в том, что медленные изменения входного напряжения (которые могут быть вызваны, например, изменением температуры) в ней неразличимы с входным сигналом. Это явление принято называть дрейфом УПТ и он является недостатком этого типа усилителя.

2. Дифференциальный усилитель

Позволяет значительно ослабить рассмотренное ранее явление дрейфа, применив дифференциальную (разностную) схему. В такой схеме выходное напряжение есть результат разности его входных напряжений, по этому изменения, связанные с дрейфом, будут взаимно вычитаться и не поступят на выход. Схема дифференциального усилителя показана на рис. 4.2. и работает следующим образом.

Поскольку база каждого из транзисторов соединена с землей, то для их открытого состояния необходимо, чтобы потенциалы их эмиттеров были ниже на величину 0,6 В. Тогда суммарный ток эмиттеров транзисторов Т₁ и Т₂ будет равен: I_э = 9/ 4700 = 2 мА. Значит, на каждый из них приходится ток, равный 1 мА. Тогда потенциалы обоих коллекторов равны U_к = 9 – 4,7 = 4,3 В, что приблизительно равно половине питающего напряжения. Значит, изменения входного сигнала будет возможно в одну и в другую сторону от точки покоя, приблизительно на величину 4,5 В.

Пусть выходное напряжение это разность потенциалов на коллекторах обоих транзисторов.

Рассмотрим работу схему при поступлении на него разностного сигнала. Предположим, что u_вх1 > u_вх2. Это значит, что транзистор Т₁ открыт больше, чем Т₂, то есть I_к1 > I_к2; u_вых1 < u_вых2. В итоге, на выходе усилителя будет напряжение, пропорциональное разности входных напряжений.

Если же напряжения на входах усилителя будут одинаковыми, то одинаковыми будут и разности выходных напряжений, а значит, напряжение между выходами будет равно нулю.

На практике выходное напряжение снимают между коллектором одного из транзисторов и землей. При этом один из входов будет прямым, а другой инверсным.

3. Двухтактный усилитель мощности

Рассмотренный ранее усилитель по схеме с ОЭ обладал серьёзным недостатком – он имел недопустимо низкий для мощных схем КПД. Такое схемное решение не может быть применено в случае выделения на нагрузке значительной мощности, поскольку в этом случае потери усиления будут значительны. По этой причине для усиления мощных сигналов применяется другая схема, в которой рабочая точка усилителя находится внизу выходных характеристик, то есть, при минимальном значении входного напряжения, достаточного для открывания транзистора. Такой режим усиления называют

Цепь смещения в этом усилителе организована так, что на входах у обоих транзисторов Т₁ и Т₂ присутствует напряжение отпирания, равное 0,6 В. Это достигается включением в цепь смещения идентичных диодов D₁ и D₂, после чего между ними устанавливается потенциал земли. Тогда между базой и эмиттером транзистора Т₁ начальное смещение равно + 0,6 В, а между базой и эмиттером транзистора Т₂ – 0,6 В, что соответствует их типам проводимости.

Теперь, при подаче на вход усилителя положительной полуволны напряжения, транзистор Т₁ ещё больше откроется и через его выходной p-n переход будет протекать выходной ток коллектора, а транзистор Т₂ при этом закроется и ток его коллектора будет равен нулю. Аналогичный процесс будет происходить при передаче на вход усилителя отрицательной полуволны: транзистор Т₁ закроется и ток его коллектора будет равен нулю, а транзистор Т₂ ещё больше откроется и через его выходной p-n переход будет протекать выходной ток коллектора.

Резисторы R₃ и R₄ создают в усилителе отрицательную обратную связь, стабилизируя положение рабочей точки.