Меню

Двухканальный усилитель постоянного тока



5. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рисунке 5.1 приведена АЧХ УПТ.

Рисунок 5.1. АЧХ УПТ

Для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь между каскадами. Однако такая связь приводит к необходимости решения специфических задач:

◆ согласование потенциальных уровней в соседних каскадах;

◆ уменьшения дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

5.2. Способы построения УПТ

Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики УПТ, является дрейф нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе УПТ от начального значения. Поскольку дрейф нуля наблюдается и при отсутствии сигнала на входе на входе УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.

К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля в УПТ, относятся:

◆ нестабильность источников питания;

◆ временная нестабильность («старение») параметров транзисторов и резисторов;

◆ температурная нестабильность параметров транзисторов и резисторов;

◆ помехи и наводки.

Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Положение усугубляется наличием гальванической связи между каскадами, хорошо передающей медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования температурных нестабильностей каскадов от входа к выходу.

Поскольку температурные изменения параметров усилительных элементов имеют закономерный характер (см. подразделы 2.2 и 2.10), то они могут быть в некоторой степени скомпенсированы теми же методами, что и в усилителях гармонических сигналов.

Абсолютным дрейфом нуля ΔUвых называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного к входу усилителя:

Приведенный к входу дрейф нуля эквивалентен ложному входному сигналу, он ограничивает минимальный входной сигнал, т.е. определяет чувствительность УПТ.

С целью снижения дрейфа нуля в УПТ используются:

◆ преобразование постоянного тока в переменный, его усиление и последующее детектирование;

◆ построение УПТ по балансной схеме.

УПТ прямого усиления, по сути, являются обычными многокаскадными усилителями с непосредственной связью. В качестве УПТ может использоваться усилитель, схема которого приведена на рисунке 3.4.

В этом усилителе резисторы Rэ1, Rэ2 и Rэ3, помимо создания местных и общих цепей ООС, обеспечивают необходимое напряжение смещения в своих каскадах. В многокаскадном УПТ можно обеспечить требуемый режим транзисторов по постоянному току путем последовательного повышения потенциалов эмиттеров от входа к выходу, что обусловлено непосредственной межкаскадной связью «коллектор-эмиттер», потенциалы коллекторов тоже возрастают от входа к выходу. Возможно обеспечение режима каскадов УПТ путем уменьшения Rк от входа к выходу, однако в том и другом случае следствием будет уменьшение коэффициента усиления УПТ.

В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. На практике полная компенсация дрейфа нуля не достижима даже для одной температурной точки, тем не менее, в УПТ с четным числом каскадов наблюдается его снижение.

В связи с тем, что данный УПТ имеет однополярное питание, на его входе и выходе присутствует некоторый постоянный потенциал, что не позволяет подключать низкоомные источник сигнала и нагрузку непосредственно между ними и общим проводом. В этом случае используется мостовая схема с включением RГ и Rн в диагонали входного и выходного мостов (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2. Мостовая схема включения источника сигнала и нагрузки в УПТ

Для расчета частотных и временных характеристик УПТ с прямым усилением можно использовать материалы подразделов 2.5 и 3.3, а также подраздела 2.9 в случае построения УПТ на ПТ.

Для целей согласования потенциалов используют транзисторы различной проводимости, для лучшей температурной компенсации применяют диоды и стабилитроны. Применение двухполярного источника питания позволяет непосредственно подключать источник сигнала и нагрузку к УПТ, т.к. в этом случае обеспечены нулевые потенциалы на его входе и выходе. Указанные меры реализованы в схеме УПТ, приведенной на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3. Двухкаскадный УПТ

УПТ с прямым усилением на основе непосредственной связи между каскадами и глубокими ООС позволяют получить K≤40 дБ при Uвх порядка десятков милливольт. В таких УПТ возникает проблема устранения паразитной ОС по цепям питания, ибо не представляется возможным применение обычных фильтров.

УПТ прямого усиления имеют большой температурный дрейф (eдр составляет единицы милливольт на градус). Кроме температурного дрейфа в таких УПТ существенное влияние оказывают временной дрейф, нестабильность источников питания и низкочастотные шумы.

Отмеченные недостатки в значительной мере преодолеваются в УПТ с преобразованием (модуляцией) сигнала. На рисунке 5.4 приведена структурная схема УПТ с преобразованием постоянного тока в переменный и даны эпюры напряжений, поясняющие принцип его работы.

Входной сигнал постоянного напряжения Uвх преобразуется в пропорциональный ему сигнал переменного напряжения с помощью модулятора М, потом усиливается обычным усилителем гармонических сигналов У, а затем демодулятором ДМ преобразуется в сигнал постоянного напряжения Uн. Поскольку в усилителях переменного тока дрейф нуля не передается от каскада к каскаду (из-за наличия разделительных емкостей между каскадами), то в данном УПТ реализуется минимальный дрейф нуля.

Рисунок 5.4. Структурная схема УПТ с преобразованием сигналов

В качестве модулятора можно использовать управляемые ключевые схемы, выполненные обычно на ПТ. Простейшим демодулятором является обычный двухполупериодный выпрямитель с фильтром на выходе. Следует заметить, что существует большое многообразие схемных решений как модуляторов, так и демодуляторов, рассмотрение которых не позволяет ограниченный объем данного пособия.

В качестве недостатков УПТ с преобразованием сигнала следует отнести проблему реализации модуляторов малого уровня входного сигнала и повышенную сложность схемы.

Достичь существенного улучшения электрических, эксплуатационных и массогабаритных показателей УПТ можно за счет их построения на основе балансных схем.

5.3. Дифференциальные усилители

В настоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных (параллельно-балансных или разностных) каскадов. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью (КТ118УД, КР198УТ1 и др.). На рисунке 5.5 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ) на БТ.

Рисунок 5.5. Схема ДУ

Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами Rк1 и Rк2, а два других — транзисторами VT1 и VT2. Сопротивление нагрузки Rн включено в диагональ моста. Резисторы цепи ПООСТ RОС1 и RОС2 обычно невелики или вообще отсутствуют, поэтому можно считать, что резистор Rэ подключен к эмиттерам транзисторов.

Двухполярное питание позволяет обойтись на входах (выходах) ДУ без мостовых схем за счет снижения потенциалов баз (коллекторов) до потенциала общей шины.

Рассмотрим работу ДУ для основного рабочего режима — дифференциального. За счет действия Uвх1 транзистор VT1 приоткрывается, и его ток эмиттера получает приращение ΔIэ1, а за счет действия Uвх2 транзистор VT2 призакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение –ΔIэ2. Следовательно, результирующее приращение тока в цепи резистора Rэ при идеально симметричных плечах близко к нулю и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует.

При анализе ДУ выделяют два плеча, представляющие собой каскады с ОЭ, в общую цепь эмиттеров транзисторов которых включен общий резистор Rэ, которым и задается их общий ток. В связи с этим представляется возможным при расчете частотных и временных характеристик ДУ пользоваться соотношениями подразделов 2.5 и 2.12 с учетом замечаний, приведенных в подразделе 4.4. Например, коэффициент усиления дифференциального сигнала KU диф будет равен в случае симметрии плеч (см. подраздел 4.4) KU диф=2·KU пл=K, т.е. дифференциальный коэффициент усиления равен коэффициенту усиления каскада с ОЭ.

ДУ отличает малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального (противофазного) сигнала KU диф и большой коэффициент подавления синфазных помех, т.е. малый коэффициент передачи синфазного сигнала KU сф.

Для обеспечения качественного выполнения этих функций необходимо выполнить два основных требования. Первое из них состоит в обеспечении симметрии обоих плеч ДУ. Приблизиться к выполнению этого требования позволила микроэлектроника, поскольку только в монолитной ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры с одинаковой реакцией на воздействие температуры, старения и т.п.

Второе требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. В качестве синфазного сигнала для ДУ выступают помехи, наводки, поступающие на входы в фазе. Поскольку Rэ создает глубокую ПООСТ для обоих плеч ДУ, то для синфазного сигнала будет наблюдаться значительное уменьшение коэффициентов передачи каскадов с ОЭ, образующих эти плечи.

Коэффициент усиления каждого плеча для синфазного сигнала можно представить как KОС каскада с ОЭ при глубокой ООС. Согласно подраздела 3.2 имеем:

Теперь можно записать для KU сф всего ДУ:

Для оценки подавления синфазного сигнала вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), равный отношению модулей коэффициентов передач дифференциального и синфазного сигналов.

Из сказанного следует, что увеличение КОСС возможно путем уменьшения разброса номиналов резисторов в цепях коллекторов (в монолитных ИМС — не более 3%) и путем увеличения Rэ. Однако увеличение Rэ требует увеличения напряжения источника питания (что неизбежно приведет к увеличению рассеиваемой тепловой мощности в ДУ), и не всегда возможно из-за технологических трудностей реализации резисторов больших номиналов в монолитных ИМС.

Решить эту проблему позволяет использование электронного эквивалента резистора большого номинала, которым является источник стабильного тока (ИСТ), варианты схем которого приведены на рисунке 5.6.

Читайте также:  Samsung ue40h6203ak уменьшить ток подсветки

Рисунок 5.6. ИСТ на БТ и ПТ

ИСТ подключается вместо Rэ (см. рисунок 5.5), а заданный ток и термостабильность обеспечивают элементы R1, R2, Rэ и VD1 (рисунок 5.6а), и R1 (рисунок 5.6б). Для реальных условий ИСТ представляет собой эквивалент сопротивления для изменяющегося сигнала номиналом до единиц мегом, а в режиме покоя — порядка единиц килоом, что делает ДУ экономичным по питанию.

Использование ИСТ позволяет реализовать ДУ в виде экономичной ИМС, с КОСС порядка 100 дБ.

При использовании ПТ характер построения ДУ не меняется, следует только учитывать особенности питания и термостабилизации ПТ.

5.4. Схемы включения ДУ

Можно выделить четыре схемы включения ДУ: симметричный вход и выход, несимметричный вход и симметричный выход, симметричный вход и несимметричный выход, несимметричный вход и выход.

Схема включения ДУ симметричный вход и выход приведена на рисунке 5.7 и в особых комментариях не нуждается, такая схема включения применяется при каскадировании ДУ.

Рисунок 5.7. Схема включения ДУ «симметричный вход и выход»

Схема включения ДУ несимметричный вход и симметричный выход рассматривалась ранее (см. рисунок 4.9).

Схема включения ДУ симметричный вход и несимметричный выход приведена на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8. Схема включения ДУ «симметричный вход — несимметричный выход»

Такая схема включения ДУ применяется в случае необходимости перехода от симметричного источника сигнала (либо симметричного тракта передачи) к несимметричной нагрузке (несимметричному тракту передачи). Нетрудно показать, что дифференциальный коэффициент усиления при таком включении будет равен половине KU диф при симметричной нагрузке. Вместо резисторов Rк в ДУ часто используют транзисторы, выполняющие функции динамических нагрузок. В рассматриваемом варианте включения ДУ целесообразно использовать в качестве динамической нагрузки так называемое токовое зеркало, образованное транзисторами VT3 и VT4 (рисунок 5.9).

Рисунок 5.9. Схема ДУ с токовым зеркалом

При подаче на базу транзистора VT1 положительной полуволны гармонического сигнала Uвх1, в цепи транзистора VT3 (включенного по схеме диода) возникает приращение тока ΔIк1. За счет этого тока возникает приращение напряжения между базой и эмиттером VT3, которое является приращением входного напряжения для транзистора VT4. Таким образом, в цепи коллектор-эмиттер VT4 возникает приращение тока, практически равное ΔIк1, поскольку в ДУ плечи симметричны. В рассматриваемый момент времени на базу транзистора VT2 подается отрицательная полуволна входного гармонического сигнала Uвх2. Следовательно, в цепи его коллектора появилось отрицательное приращение тока ΔIк2. При этом приращение тока нагрузки ДУ равно ΔIк1Iк2, т.е. ДУ с отражателем тока обеспечивает большее усиление дифференциального сигнала. Необходимо также отметить, что для рассматриваемого варианта ДУ в режиме покоя ток нагрузки равен нулю.

При несимметричном входе и выходе работа ДУ в принципе не отличается от случая несимметричный вход — симметричный выход. В зависимости от того, с какого плеча снимается выходной сигнал, возможно получение синфазного или противофазного выходного сигнала, как это получается в фазоинверсном каскаде на основе ДУ (см. подраздел 4.4).

5.5. Точностные параметры ДУ

К точностным параметрам ДУ относятся паразитные напряжения и токи, имеющие место в режиме покоя, но оказывающие влияние на качество усиления рабочего сигнала.

В реальном ДУ за счет асимметрии плеч на выходе устройства всегда присутствует паразитное напряжение между выходами. Для сведения его к нулю на вход (плеча) необходимо подать компенсирующий сигнал — напряжение смещения нуля Uсм, представляющее собой кажущийся входной дифференциальный сигнал.

Напряжение Uсм порождается, в основном, разбросом величин обратных токов эмиттерных переходов Iэбо1 и Iэбо2 (U’см), и разбросом номиналов резисторов Rк1 и Rк2 (см). Для этих напряжений можно записать:

Зависимость Uсм от температуры представляется еще одним точностным параметром — температурной чувствительностью. Температурная чувствительность dUсм/dT имеет размерность мкВ/град и определяется как разность ТКН эмиттерных переходов транзисторов плеч и уменьшается пропорционально уменьшению Uсм.

Следующим точностным параметром ДУ является ток смещения ΔIвх, представляющий собой разбаланс (разность) входных токов (токов баз транзисторов). Протекая через сопротивление источника сигнала Rг, ток смещения создает на нем падение напряжения, действие которого равносильно ложному дифференциальному сигналу. Ток смещения можно представить как

Средний входной ток Iвх ср также является точностным параметром ДУ. Его можно представить как

Протекая через Rг, ток Iвх срсоздает на нем падение напряжения, действующее как синфазный входной сигнал. Хотя и ослабленное в KUсф раз, оно все же вызовет на выходе ДУ разбаланс потенциалов.

Температурные зависимости тока смещения и среднего входного тока можно учесть через температурную зависимость H21Э. Отметим, что обычно Iвх срIвх.

В ДУ на ПТ основным точностным параметром является Uсм, которое обычно больше, чем в ДУ на БТ.

В настоящее время ДУ представляют собой основной базовый каскад аналоговых ИМС, в частности, ДУ является входным каскадом любого операционного усилителя.

Источник

Усилители постоянного тока: принцип работы и устройство

рис. 2.35

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.

Васильев Дмитрий Петрович

Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов.

После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются:

  • изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды;
  • изменение питающих напряжений;
  • постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением.

Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля.

Основными мерами снижения дрейфа являются:

  • жесткая стабилизация источников питания усилителей;
  • использование отрицательных обратных связей;
  • применение балансных компенсационных схем УПТ;
  • использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры для компенсации температурного дрейфа;
  • применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении, напряжение на нагрузке было также равно нулю.

Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

рис. 2.35

Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.

Коллекторные сопротивления RK1 и RK2, транзисторы Т1 и Т2, резистор Rэ образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания ЕK, а в другую диагональ — между коллекторами транзисторов — включается нагрузка.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Что такое усилитель тока, токовый буфер и токовый повторитель

Усилитель тока

Усилитель тока – это электронная схема, которая увеличивает величину тока входного сигнала на фиксированное значение и подает его в последующую схему или устройство. Этот процесс называется токовым усилением входного сигнала.

Вход может быть постоянным или изменяющимся во времени сигналом. В идеале, во время этого процесса усиления тока усилитель тока будет сохранять неизменной составляющую напряжения входного сигнала. Ниже приведена блок-схема типичного усилителя тока.

усилитель тока

Сигналы на входных и выходных клеммах обозначают величину тока относительно времени. Обратите внимание, что весь сигнал растягивается (увеличивается) на выходе с фиксированным коэффициентом.

Коэффициент усиления усилителя тока

В электронике «усиление» или «коэффициент усиления» – это технический термин, используемый для оценки усилительной способности усилителя. А поскольку усилитель тока преобразует только токовую составляющую входного сигнала, его коэффициент усиления зависит от того, насколько он увеличивает ток выходного сигнала по отношению к входному сигналу.

Математически коэффициент усиления усилителя тока представляет собой отношение величины тока, протекающего через его выходные клеммы, к величине тока входного сигнала. Он обозначается символом Ai и, поскольку это соотношение, он не имеет единиц: Ai=Iвых/Iвх.

Например, если поток тока от входного сигнала составляет 1 мА, а ток, протекающий через выходные клеммы, составляет 100 мА, тогда усиление данного усилителя тока будет равно 100 (100 мА / 1 мА). Это означает, что величина тока входного сигнала на выходе возрастает в 100 раз.

Усиление также может иметь отрицательное значение. Это указывает на то, что выходной сигнал является обращенной и масштабированной копией входного сигнала.

Характеристики идеального усилителя тока

Для разработки усилителя тока необходимо проработать набор правил / характеристик, которые определяют его теоретическое поведение. Ниже приведены эти идеальные характеристики:

  • Усиление тока усилителя (Ai) должно оставаться постоянным для всего диапазона входного сигнала
  • Усиление тока усилителей не должно зависеть от условий окружающей среды, таких как температура и влажность
  • Входной импеданс (эффективное сопротивление между входными клеммами) усилителя тока должен быть равен нулю
  • Выходной импеданс (эффективное сопротивление между выходными клеммами) усилителя тока должно быть бесконечным
Читайте также:  Шкаф питания цепей оперативным током

В реальных случаях невозможно достичь указанного выше рекомендуемого сопротивления усилителей тока. Но они используются в качестве эталонных параметров для проектирования схем усилителей тока, близких к идеальным. Диаграмма ниже иллюстрирует модель усилителя идеального тока вместе с реальным.

усилитель тока

Обратите внимание на сопротивления на входе и выходе усилителя тока в реальном случае. Последовательное сопротивление на входе указывает эффективное сопротивление, создаваемое схемой усиления. Сопротивление, параллельное выходу, обозначает некоторую часть выходного сигнала, потерянную либо механизмами обратной связи, либо из-за внутренних потерь.

Схема усилителя тока

Ниже приведена принципиальная схема простой двухкаскадной цепи усилителя тока, в которой в качестве усилительного элемента используются транзисторы npn и pnp.

Схема усилителя тока

Фотодиод поглощает энергию света и высвобождает электроны, тем самым действуя в качестве источника входного тока. Этот ток от фотодиода сначала усиливается транзистором Q1 и дополнительно усиливается транзистором Q2.

Резисторы у баз обоих транзисторов используются для регулировки усиления. Количество раз усиления сигнала совпадает с количеством каскадов в усилителе. Здесь ток усиливается в два раза, так что это двухкаскадный усилитель тока.

Переходя к расчетной части, скажем, id – это ток, протекающий от фотодиода, а Ai1, Ai2 – коэффициенты усиления транзисторов Q1 и Q2 соответственно. Ток на выходе первого транзистора будет равен Ai1*id, и это будет вход для второго транзистора. Второй транзистор Q2 будет дополнительно усиливать этот сигнал с коэффициентом Ai2. Таким образом, конечный выходной ток будет равен Ai2*Ai1*id, что сделает усиление всего этого двухступенчатого усилителя тока равным Ai2*Ai1.

Применение усилителей тока

Ниже приведены некоторые практические применения усилителей тока:

  • В системах усиления звука усилители тока используются для получения более качественного звучания низких частот за счет увеличения интенсивности, с которой приводятся в действие динамики
  • Усилители тока с переменным усилением используются во многих промышленных производственных системах, таких как машины лазерной и водоструйной резки, для контроля интенсивности, с которой осуществляется изготовление
  • В сенсорных системах усилители тока используются для усиления слабых входных сигналов для использования в последующих цепях

Токовый буфер

Токовый буфер – это электронная схема, которая используется для передачи электрического тока от входного источника, имеющего очень малый импеданс (эффективное сопротивление), к выходным нагрузкам с высоким импедансом. Он предназначен для предотвращения воздействия на источники сигнала из-за различий в величине тока, потребляемого выходными нагрузками.

В большинстве сценариев он действует как мост между слабыми входными сигналами (например, сигналами от датчиков) и выходными нагрузками, которые могут потреблять большие токи. Ниже приведена схема идеального токового буфера.

Токовый буфер

Он в первую очередь предназначен для устранения влияния выходной нагрузки на источник входного сигнала. Таким образом, вы можете думать о буфере тока как о цепи, которая изолирует входные и выходные цепи, в то же время позволяя проводить требуемый поток тока к выходной нагрузке для поддержания постоянного напряжения на нем. Ниже приведена принципиальная схема простого токового буфера на основе полевого транзистора.

схема токового буфера

Такое расположение обеспечивает меньшее сопротивление входного сигнала и высокое сопротивление на выходной клемме, что делает его почти идеальным буфером тока.

Применение токового буфера

Токовый повторитель

Токовая буферная схема с усилением 1 (т.е. входные и выходные токи одинаковы) называется токовым повторителем. Это означает, что схема повторителя тока не обеспечивает какого-либо усиления тока для входного сигнала.

Вы можете быть удивлены, почему схема токового повторителя используется в реальности, поскольку входной и выходной токи от токового повторителя одинаковы. Причина в том, что повторитель тока не используется для увеличения выходного тока.

Но он используется для изоляции входных и выходных линий, обеспечивая при этом одинаковое количество тока, поступающего на вход и выход. Это причина, по которой схемы токовых повторителей также называются изоляционными буферами.

Источник

Двухканальный усилитель мощности с диплексерным выходом

Титов Александр Анатольевич
634050, Россия, Томск, пр. Ленина, 46, кв. 28.
Тел. 51-65-05

E-mail: titov_aa (at) rk.tusur.ru

(Приборы и техника эксперимента — 2001. – № 1. – С. 68–72)

Для сложения мощности двух независимых сигналов двухканального усилителя предлагается использовать диплексер, выполненный с применением малогабаритных направленных ответвителей и позволяющий уменьшить уровень интермодуляционных составляющих в спектре выходного сигнала до уровня минус 60 дБ.

Технические характеристики двухканального усилителя:

  • выходная мощность сигналов 10 Вт и 75 Вт;
  • коэффициент усиления канальных усилителей 40 дБ;
  • усиливаемые сигналы — радиосигналы изображения и звукового сопровождения 12 канала телевидения.

В устройствах теле- и радиовещания, системах линейной и нелинейной радиолокации, измерительной технике и экспериментальной физике в ряде случаев возникает проблема линейного сложения в нагрузке мощности двух независимых сигналов с относительной расстройкой между ними, не превышающей нескольких процентов. Например, в соответствии с требованиями ГОСТ [1,2], уровень любого побочного (внеполосного) радиоизлучения телевизионных передатчиков с выходной мощностью более 25 Вт должен быть не менее чем на минус 60 дБ ниже пиковой мощности основного колебания. В то же время в усилителях мощности передатчиков с совместным трактом усиления радиосигналов изображения и звукового сопровождения не удается реализовать уровень интермодуляционных составляющих в спектре выходного сигнала менее минус 25-30 дБ.

Использование для рассматриваемых целей схем сложения мощности на основе длинных линий [3] приводит к потере половины мощности суммируемых сигналов. Использование кольцевых частотно-разделительных цепей [4,5] также затруднительно из-за необходимости реализации высокодобротных фильтров высоких порядков.

Поэтому в телевизионных передатчиках с выходной мощностью более 1 кВт сложение радиосигналов изображения и звукового сопровождения осуществляется с помощью диплексеров [6], состоящих из направленных ответвителей (трехдецибельных мостов сложения) и режекторных фильтров. В маломощных передатчиках, из-за больших габаритных размеров известных в настоящее время диплексеров, раздельное усиление не используется. Для уменьшения уровня внеполосного излучения в них применяются полосовые фильтры, поглощающие от 15 до 20 процентов выходной мощности передатчика.

Потерь выходной мощности можно избежать, если в маломощных передатчиках, также как и в мощных, использовать раздельное усиление. Уменьшение габаритных размеров диплексеров при этом может быть достигнуто за счет реализации малогабаритных направленных ответвителей [7].

На рисунке приведена схема усилителя мощности телевизионного передатчика 12 канала телевидения с раздельным усилением радиосигналов изображения и звукового сопровождения, в котором реализован малогабаритный диплексер, обеспечивающий уровень интермодуляционных составляющих в нагрузке не более чем минус 60 дБ без применения дополнительных полосовых либо режекторных фильтров.

Усилитель мощности состоит из канального усилителя радиосигнала изображения на транзисторах Т2, Т6, Т12, Т14; канального усилителя радиосигнала звукового сопровождения на транзисторах Т4, Т8, Т10, Т13; диплексера на направленных ответвителях НО2 и НО3; стабилизатора напряжения базового смещения на транзисторах Т15, Т16; стабилизатора напряжения питания входных каскадов на транзисторе Т9; схемы защиты от холостого хода и короткого замыкания нагрузки; защиты от превышения напряжением питания своего номинального значения; термозащиты.

Рис.1. Принципиальная схема усилителя (Щелкните мышью для получения большого изображения)

Т1, Т3, Т5, Т7 – КТ361Б; Т2, Т4, Т8 – КТ939А; Т6 – КТ913В; Т9, Т15, Т16 – КТ817Г; Т10 – КТ934Б; Т11, Т17 – КТ315А; Т12 – КТ930А; Т13 – КТ934В; Т14 – КТ930Б; Д1, Д2 – КС213Б; Д3, Д5 – КД509А; Д4 – КС224Ж; Д6 – КД213А.

Первые два каскада канальных усилителей работают в режиме класса А и выполнены с использованием межкаскадных корректирующих цепей второго порядка [8]. Стабилизация токов покоя каскадов достигается за счет применения активной отрицательной обратной связи по постоянному току [9], а сами токи покоя устанавливаются подбором номиналов резисторов R1 — R4. Для транзисторов Т2, Т4, Т6, Т8 токи покоя равны 0,2; 0,1; 0,4; 0,2 А соответственно.

Выходные и предоконечные каскады усилителей работают в режиме с отсечкой коллекторного тока. Стабилизация угла отсечки обеспечивается стабилизатором напряжения базового смещения [10]. Требуемый угол отсечки устанавливается подбором номинала резистора R6, стоящего в цепи базы транзистора Т16. В выходных и предоконечных каскадах использованы полосовые межкаскадные корректирующие цепи четвертого порядка [11], обеспечивающие высокие технические характеристики усилителя и обладающие простотой конструктивной реализации и настройки. Подстроечные конденсаторы С6 и С7, стоящие в базовых цепях транзисторов Т13 и Т14, служат для коррекции фазы радиосигналов изображения и звукового сопровождения, практически не влияют на коэффициент усиления и форму амплитудно-частотных характеристик канальных усилителей и устанавливаются в случае применения усилителей мощности в качестве полукомплектов более мощного передатчика, обеспечивая возможность минимизации разности фаз суммируемых сигналов.

Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы Ом [12]. Поэтому на выходах канальных усилителей включены трансформаторы импедансов с коэффициентом трансформации 1:25 в канале усиления радиосигнала изображения и 1:4 в канале усиления радиосигнала звукового сопровождения, выполненные в виде фильтров нижних частот четвертого порядка [13].

Для подавления высших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала, после трансформаторов импедансов включены чебышевские фильтры нижних частот пятого порядка [14].

С целью сохранения работоспособности усилителя мощности при работе на несогласованную нагрузку в него введена схема защиты от холостого хода и короткого замыкания нагрузки, состоящая из направленного ответвителя НО1 и детектора на диоде Д5. Направленный ответвитель НО1 выполнен из двух проводов марки МГТФ 1х0,35 длиной 3 см намотанных вплотную друг к другу на цилиндрический изолятор, который помещается затем в заземленный металлический цилиндрический экран. Переходное затухание НО1 на центральной рабочей частоте 2500 МГц равно 3 дБ. На частоте радиосигнала изображения 12 канала телевидения его переходное затухание составляет 30 дБ. При работе на несогласованную нагрузку отраженный сигнал выделяется на балластном сопротивлении R9, детектируется детектором на диоде Д5 и через резистор R8 подается на базу транзистора Т11. В исходном состоянии транзистор Т11 закрыт. При превышении отраженным продетектированным сигналом определенного уровня, который устанавливается резистором R8, транзистор Т11 открывается, шунтируя стабилитрон Д1. Это приводит к уменьшению напряжения питания входных каскадов канальных усилителей и, соответственно, к уменьшению их коэффициентов усиления. Поэтому при превышении КСВН нагрузки определенного значения выходная мощность канальных усилителей будет падать пропорционально росту КСВН нагрузки.

Читайте также:  Основные законы электрического тока в жидкостях

Каждый из направленных ответвителей диплексера выполнен из двух проводов марки МГТФ 1х0,35 длиной 31 см, намотанных вплотную друг к другу на цилиндрический изолятор диаметром (5-10) мм.. Изолятор помещается затем в заземленный металлический цилиндрический экран, имеющий продольную щель вдоль всей своей длины и плотно обжимающий намотанные на изолятор провода. Переходное затухание ответвителей на центральной рабочей частоте 226 МГц равно 3 дБ. Режекторные фильтры диплексера выполнены в виде последовательного соединения воздушных конденсаторов с емкостью порядка 0,2 пФ и индуктивностей, изготовленных из посеребренного медного провода диаметром 1,5 мм. Настраиваются режекторные фильтры на частоту радиосигнала звукового сопровождения. Собственная добротность фильтров составляет величину порядка 350-400, что позволяет выполнить требования ГОСТ [1,2], предъявляемые к неравномерности амплитудно-частотной характеристики канала усиления радиосигнала изображения.

Радиосигнал звукового сопровождения, попадая на выход 7 НО3, делится поровну между выходами 5 и 6, достигая режекторных фильтров отражается от них и складывается в фазе на выходе 8 НО3. Точная подстройка режекторных фильтров, необходимая для минимизации сопутствующей паразитной амплитудной модуляции [1,2], осуществляется с помощью заземленных металлических штырей, вводимых в области соединения конденсаторов и индуктивностей фильтров.

Для минимизации интермодуляционных искажений, обусловленных взаимодействием радиосигналов изображения и звукового сопровождения, требуется реализация максимальной развязки между сигнальными входами диплексера. Это достигается с помощью регулирования длины продольной щели металлических экранов направленных ответвителей диплексера. При работе усилителя мощности на стандартную нагрузку 75 Ом развязка между сигнальными входами описанного выше диплексера составляет величину порядка 25-30 дБ.

Схема термозащиты на транзисторе Т17 осуществляет отключение питания входных каскадов канальных усилителей при превышении температуры корпуса усилителя определенного значения. Терморезистор схемы термозащиты приклеивается к корпусу усилителя в непосредственной близости от транзистора Т14. С увеличением температуры корпуса сопротивление терморезистора падает, что приводит к запиранию транзистора Т17 и подаче управляющего напряжения на транзистор Т11. Установка схемы термозащиты на заданную температуру срабатывания осуществляется с помощью резистора R7.

Защита от превышения напряжением питания своего номинального значения, выполненная на стабилитроне Д4, срабатывает при величине питающего напряжения 25,5 В. Диод Д6 установлен для защиты транзисторов усилителя от пробоя при неправильном выборе полярности напряжения питания.

Настройка усилителя мощности состоит из следующих этапов.

Вначале производится покаскадная настройка входных каскадов канальных усилителей. Для этого с помощью резисторов R1 — R4 устанавливаются токи покоя транзисторов Т2, Т4, Т6, Т8. Затем в качестве нагрузки транзистора Т2 через разделительный конденсатор подключается резистор 75 Ом. Подбором конденсатора С1 достигается равномерная амплитудно-частотная характеристика каскада в полосе 49 — 230 МГц. После этого индуктивность L1 в цепи коллектора транзистора Т6 заменяется на индуктивность 100 — 200 нГн и в качестве нагрузки транзистора Т6 подключается резистор 75 Ом. Подбором конденсатора С2 достигается равномерная амплитудно-частотная характеристика двух первых каскадов усилителя радиосигнала изображения. Аналогично настраиваются первые два каскада усилителя радиосигнала звукового сопровождения.

Настройка каскада на транзисторе Т12 начинается с подключения на его выход нагрузки 75 Ом, замены резистора R5 на двухваттный резистор с сопротивлением 10 Ом и установки с помощью резистора R6 тока покоя транзистора Т12 равным 0,2 — 0,3 А. Двухваттный резистор необходим для защиты транзистора Т12 от выгорания при возможном самовозбуждении схемы во время настройки. Формирование амплитудно-частотной характеристики каскада с помощью межкаскадной корректирующей цепи, состоящей из элементов L1, L2, C3,C4, C5, производится в следующей последовательности. При заданных нижней fн и верхней fв частотах полосы пропускания усилителя радиосигнала изображения подбором конденсатора С4 устанавливается максимально возможный коэффициент усиления настраиваемых каскадов на частоте fв. Далее величина индуктивности L1 изменяется так, чтобы на частоте fн коэффициент усиления каскадов также стал максимально возможным. Если окажется, что на частоте fн коэффициент усиления больше, чем на частоте fв, следует уменьшить величину конденсатора С3 и заново найти оптимальное значение индуктивности L1.
Перед настройкой оконечного каскада необходимо отключить режекторные фильтры диплексера и осуществить поочередную настройку фильтра нижних частот и трансформатора импедансов, стоящих на выходе усилителя радиосигнала изображения.

Настройка оконечного каскада производится аналогично настройке каскада на транзисторе Т12. Однако ток покоя транзистора Т14 может быть увеличен до величины 0,4 — 0,6 А.

После формирования амплитудно-частотной характеристики усилителя радиосигнала изображения, осуществляемого в режиме малого сигнала, резистор R6 в базе транзистора Т16 увеличивается до величины, при которой ток покоя транзистора Т14 становится равным 50 — 100 мА. На вход усилителя подается сигнал яркости 12 канала и проверяется отсутствие самовозбуждения усилителя при различных уровнях входного воздействия. После этого 10 — омные резисторы в коллекторных цепях транзисторов Т12, Т14 заменяются на резистор 1 Ом и индуктивность 100 нГн соответственно, и осуществляется измерение максимальной величины выходной мощности настраиваемого усилителя. Варьируя в небольших пределах величинами элементов трансформатора импедансов L3 и С8, можно дополнительно подстроить усилитель на максимум отдаваемой мощности. Линеаризация амплитудной характеристики усилителя достигается соответствующим выбором токов покоя транзисторов Т12 и Т14, которая производится после настройки усилителя на максимальную выходную мощность.

Аналогично настраиваются предоконечный и выходной каскады усилителя радиосигнала звукового сопровождения. Питание усилителя радиосигнала изображения при этом отключается. Отличие в настройке заключается в выборе меньших токов покоя транзисторов Т10 и Т13 и в том, что при отключенных режекторных фильтрах радиосигнал звукового сопровождения будет выделяться не в нагрузке, а на балластном сопротивлении диплексера R10.

После настройки канальных усилителей к диплексеру подключаются режекторные фильтры, и происходит их настройка на частоту радиосигнала звукового сопровождения.

Коэффициенты усиления канальных усилителей регулируется с помощью резистивных аттенюаторов, стоящих на их входах.
При уровне выходного радиосигнала изображения равном 75 Вт, стандартная нагрузка заменяется на нагрузку с КСВН, равным двум, и с помощью изменения номинала резистора R8 устанавливается порог срабатывания схемы защиты от холостого хода и короткого замыкания нагрузки.

Основные характеристики двухканального усилителя мощности: выходная мощность радиосигнала изображения 75 Вт; выходная мощность радиосигнала звукового сопровождения 10 Вт; входное напряжение радиосигнала изображения 0,7 В; входное напряжение радиосигнала звукового сопровождения 0,3 В; рабочий диапазон частот — 12 канал телевидения; напряжение питания 24 В; максимальная величина потребляемого тока 8 А; сопротивление генератора и нагрузки 75 Ом; остальные параметры по ГОСТ [1,2].
Усилитель выполнен в корпусе размером 190х180х30 мм, состоящем из трех отдельных секций, в которых размещены канальные усилители и диплексер. При длительной работе усилителя его необходимо устанавливать на радиатор и использовать принудительную вентиляцию. Достоинством рассматриваемого схемного решения является возможность перестройки собранного усилителя на любой из метровых каналов телевидения. При сложении мощности от двух идентичных усилителей выходная мощность телевизионного передатчика увеличивается до величины 130 — 140 Вт.

Литература

  1. ГОСТ Р 50890-96. Передатчики телевизионные маломощные.
  2. ГОСТ 20532-83. Радиопередатчики телевизионные 1 — 5 каналов.
  3. Заенцев В.В., Катушкина В.М., Лондон С.Е., Модель З.И. Устройства сложения и распределения мощностей высокочастотных колебаний. — М.: Сов. радио. 1980.
  4. Обровец В.В., Чавка Г.Г. // Радиотехника. 1978. № 6. С. 86.
  5. Алексеев О.В., Грошев Г.А., Чавка Г.Г. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение. — М.: Радио и связь. 1981.
  6. Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. — М.: Радио и связь. 1989.
  7. Кузнецов В.Д., Аблин Н.Б. Направленный ответвитель для систем коллективного приема телевидения. А.с. № 202252. СССР // Б.И. 1967. № 19.
  8. Дьячко А.Н., Бабак Л.И. // Радиотехника. 1988. № 10. С. 17.
  9. Ангелов И., Стоев И., Уршев Л. // ПТЭ. 1985. № 3. С. 129.
  10. Завражнов Ю.В., Каганов И.И., Мазель Е.З. и др. Мощные высокочастотные транзисторы / Под ред. Е.З. Мазеля. — М.: Радио и связь. 1985.
  11. Титов А.А., Ретивых А.Е. // Труды третьего международного симпозиума » Конверсия науки — международному сообществу «. — Томск. Изд-во ТГУ. 1999. С. 70.
  12. Широкополосные радиопередающие устройства / Под ред. О.В. Алексеева. — М.: Связь. 1978.
  13. Знаменский А.Е. // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. 1985. Вып. 1. С. 99.
  14. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем. — М.: Радио и связь. 1983.

Советую попробовать, не пожалеете! Удачи и 73 .

Источник