Теоретические сведения. УНЧ предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых находится в пределах от десятков герц до десятков килогерц

УНЧ предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых находится в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Функция УНЧ состоит в получении на заданной величине сопротивления нагрузки, сигнала необходимой мощности. Источником сигнала может быть микрофон фотоэлемент, индукционный датчик и др. В качестве нагрузки может служить громкоговоритель, измерительный прибор (вольтметр, осциллограф), следующий каскад усиления и др. Для получения больших значений коэффициента усиления используют многокаскадные УНЧ, построенные путем последовательного соединения нескольких одиночных каскадов. Типовая структурная схема многокаскадного УНЧ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая структурная схема УНЧ

Входной каскад (ВхК) предназначен для согласования УНЧ с источником входного сигнала и предварительного усиления сигнала. Основное требование к нему - обеспечение требуемого входного сопротивления.

Каскады предварительного усиления (КПУ) осуществляют основное усиление сигнала. Число каскадов определяется требуемым коэффициентом усиления.

Выходной каскад (УМ – усилитель мощности) обеспечивает необходимую мощность и амплитуду выходного сигнала в нагрузке.

В усилителях обычно используется отрицательная обратная связь (ООС), охватывающая отдельные каскады, группы каскадов или усилитель в целом. Это позволяет стабилизировать параметры усилителя, уменьшить величины линейных и нелинейных искажений, уменьшить уровень шумов и наводок.

При построении современных УНЧ используют большое число схем и схемотехнических приемов.

Выходные каскады УНЧ строятся по одно- или двухтактным схемам, с трансформаторной или бестрансформаторной связью с нагрузкой.

В однотактных усилителях обе полуволны входного сигнала усиливаются одним транзистором, который работает в линейном режиме - класса А. К достоинствам такого усилителя относят: простота схемы и малые искажения, а к недостаткам – низкая экономичность.

В двухтактном усилителе мощности усиление сигнала происходит за два такта. В течение одного полупериода входного сигнала усиление осуществляется одним транзистором, другой транзистор в течение этого полупериода закрыт. При следующем полупериоде входного сигнала усиление осуществляется вторым транзистором, а первый закрыт. Такие УНЧ работают в экономичном режиме класса АВ или В при высоком КПД.

На сегодняшний день широко применяются двухтактные бестрансформаторные выходные каскады усиления. Это, во-первых, позволило упростить схемы усилителей и, во-вторых, исключить из них крупногабаритные трансформаторы.

По этой причине остановимся только на принципах построения бестрансформаторных схем УНЧ. Такие УНЧ строятся преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении. Выходные каскады УНЧ выполняют на комплементарных парах транзисторов разного типа проводимости с близкими по величине параметрами или на составных транзисторах.

Схема простейшего выходного каскада усиления на комплементарных парах транзисторов, с питанием от одного источника питания, приведена на рис.2, а.

а) б)

Рис. 2. Бестрансформаторные выходные каскады усиления:

а) на комплементарных парах транзисторов;

б) на составных транзисторах.

Каждый из транзисторов в схеме, вместе с нагрузкой и источником питания образуют схему с общим коллектором (ОК). Эти двухполюсники принято называть плечами двухтактного усилителя. Режим работы по постоянному току, соответствующий режиму работы класса АВ, обеспечивается делителем R ₁, VD, R ₂. Сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения между базами транзисторов VT _{1, 2}, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. Нагрузка подключается через разделительный конденсатор С _р достаточно большой емкости. При идентичных параметрах транзисторов, напряжение накапливаемое на емкости С _р составляет E _к ∕ 2 и является источником питания для транзистора VT ₂.

С увеличением выходной мощности устройства возрастают трудности в выборе типа комплементарных транзисторов, которые преодолеваются путем включения непосредственно на его выходе составных транзисторов. При этом находят применение как составные каскады на транзисторах одного, так и различного типов проводимости.

Типовая схема двухтактного бестрансформаторного выходного каскада усиления на составных транзисторах, приведена на рис.2, б. Транзисторы одинаковой проводимости VT _{3, 4} образуют выходной каскад, а транзисторы VT _{1, 2} – фазоинверсный. Резисторы R ₁, R ₂ и диод VD служат для создания режима работы по постоянному току. Резисторы R ₃, R ₄ являются резисторами нагрузки транзисторов VT _{1, 2} соответственно. Верхнее плечо схемы представляет собой составной эмиттерный повторитель, охваченный глубокой ООС через R _н. Нижнее плечо схемы состоит из двух каскадов с общим эмиттером (ОЭ), охваченных общей цепью ООС также через резистор R _Н. Несмотря на неидентичность схемных построений плеч усилителя, их асимметрия не сказывается на нелинейных искажениях сигнала из-за наличия глубокой ООС.

К преимуществам рассмотренных схем бестрансформаторных выходных каскадов усиления УНЧ следует отнести:

- малый вес и габариты;

- малый коэффициент асимметрии, что существенно влияет на снижение нелинейных искажений;

- малый ток покоя;

- высокий К.П.Д.;

- малое выходное сопротивление и относительно большое входное;

- высокая температурная стабильность.

К недостаткам – малый коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК и трудность в подборе комплементарной пары.

Входные каскады и каскады предварительного усиления, как правило, выполняют на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ (рис. 3, а) или полевом транзисторе по схеме с общим истоком (ОИ) (рис. 3, б).

а) б)

Рис. 3. Каскады предварительного усиления:

а) на биполярном транзисторе; б) на полевом транзисторе.

Схема каскада усиления на биполярном транзисторе с ОЭ является наиболее распространенной. Такой каскад, по сравнению с каскадами с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), имеет наибольший коэффициент усиления по мощности.

Каскад усиления с ОИ нашел широкое применение во входных цепях интегральных усилителей.

Во входном и промежуточных каскадах усиления возможно применение интегральных микросхем (ИМС).

Проектирование УНЧ необходимо проводить в два этапа. На первом этапе проводится предварительный (эскизный) расчет УНЧ. На другом этапе – окончательный расчет УНЧ.