Искусство схемотехники. часть 11 — усилитель низкой частоты на транзисторах. схема № 1

УПТ типа модулятор — демодулятор

Усиление сигнала в таких УПТ производится с помощью усилителя переменного сигнала, который принципиально не имеет дрейфа нуля. Для преобразования входного сигнала постоянного тока (напряжения) в переменный на входе усилителя переменного сигнала устанавливается модулятор — устройство, которое с помощью ключей, коммутируемых с частотой много большей максимальной частоты в спектре усиливаемого сигнала преобразует входной постоянный сигнал в относительно высокочастотное напряжение, причем амплитуда этого переменного сигнала прямо пропорциональна входному постоянному сигналу. Простейший модулятор — ключ, периодически отключающий источник сигнала от входа усилителя переменного сигнала. При замкнутом состоянии ключа на вход усилителя переменного сигнала подается напряжение входного сигнала постоянного тока, при разомкнутом состоянии ключа входной сигнал этого усилителя нулевой.

Управление ключом или ключами модулятора производится вспомогательным генератором.

Переменное напряжение от модулятора усиливается усилителем переменного сигнала (напряжения) до необходимого уровня. На выходе усилителя переменного сигнала присутствует переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна входному сигналу. Переменное напряжение преобразуется снова в постоянное выходное напряжение с помощью демодулятора. В качестве демодулятора применяют какой-либо выпрямитель переменного сигнала, например, диодный. Но часто выпрямитель выполняют в виде синхронного детектора — ключа или нескольких ключей, коммутируемых синхронно с ключом модулятора и управляемых от того же генератора. Простейший синхронный детектор — ключ между выходом усилителя и нагрузкой, который замкнут при, например, каждой положительной полуволне переменного напряжения выхода усилителя и разомкнут в остальное время.

В качестве ключей в УПТ с МДМ ранее использовались электромеханические ключи — обычные контактные пары, например, вибропреобразователи. Сейчас электромеханические ключи практически полностью вытеснены бесконтактными полупроводниковыми ключами, обычно полевыми транзисторами.

В УПТ МДМ основной вклад в дрейф вносит модулятор, вклад остальных устройств невелик. Например, в электромеханических модуляторах дрейф составляет — единицы  мкВ, в бесконтактных модуляторах — доли мкВ.

УПТ типа модулятор — демодулятор

Усиление сигнала в таких УПТ производится с помощью усилителя переменного сигнала, который принципиально не имеет дрейфа нуля. Для преобразования входного сигнала постоянного тока (напряжения) в переменный на входе усилителя переменного сигнала устанавливается модулятор — устройство, которое с помощью ключей, коммутируемых с частотой много большей максимальной частоты в спектре усиливаемого сигнала преобразует входной постоянный сигнал в относительно высокочастотное напряжение, причем амплитуда этого переменного сигнала прямо пропорциональна входному постоянному сигналу. Простейший модулятор — ключ, периодически отключающий источник сигнала от входа усилителя переменного сигнала. При замкнутом состоянии ключа на вход усилителя переменного сигнала подается напряжение входного сигнала постоянного тока, при разомкнутом состоянии ключа входной сигнал этого усилителя нулевой.

Управление ключом или ключами модулятора производится вспомогательным генератором.

Переменное напряжение от модулятора усиливается усилителем переменного сигнала (напряжения) до необходимого уровня. На выходе усилителя переменного сигнала присутствует переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна входному сигналу. Переменное напряжение преобразуется снова в постоянное выходное напряжение с помощью демодулятора. В качестве демодулятора применяют какой-либо выпрямитель переменного сигнала, например, диодный. Но часто выпрямитель выполняют в виде синхронного детектора — ключа или нескольких ключей, коммутируемых синхронно с ключом модулятора и управляемых от того же генератора. Простейший синхронный детектор — ключ между выходом усилителя и нагрузкой, который замкнут при, например, каждой положительной полуволне переменного напряжения выхода усилителя и разомкнут в остальное время.

В качестве ключей в УПТ с МДМ ранее использовались электромеханические ключи — обычные контактные пары, например, вибропреобразователи. Сейчас электромеханические ключи практически полностью вытеснены бесконтактными полупроводниковыми ключами, обычно полевыми транзисторами.

В УПТ МДМ основной вклад в дрейф вносит модулятор, вклад остальных устройств невелик. Например, в электромеханических модуляторах дрейф составляет — единицы  мкВ, в бесконтактных модуляторах — доли мкВ.

Электронный усилитель

Основная статья: Электронный усилитель

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Усилитель звуковых частот

Основная статья: Усилитель звуковых частот

Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот (обычно от 16 до 20 000 Гц, в специальных случаях — до 200 кГц). Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств — телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.

Операционный усилитель

Основная статья: Операционный усилитель

Операционный усилитель — (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент усиления/передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Измерительный усилитель (средство измерений)

Основная статья: Измерительный усилитель (средство измерений)

Измерительный усилитель (средство измерений) — электронный усилитель, применяемый в процессе измерений и обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе.

Измерительный усилитель

Основная статья: Измерительный усилитель

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель) — это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие характеристики включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.
Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

5.4 Диоды

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход, представляющий собой переходной слой между полупроводниками различной проводимости. На границе перехода за счёт концентрации носителей образуется контактная разность потенциалов.

p-n переход обладает несимметричной электропроводностью, изменяемой электронной емкостью, сильной зависимостью тока от внешних параметров to, изменение полей.

В p-n переходе происходит диффузия основных носителей электронов из p-области в n-области. При этом возникает диффузионный ток:

Iдиф= Ipдиф- Inдиф,

его направление совпадает с направлением диффузий дырок.

Электрический заряд в кристалле перераспределяется, электронная нейтральность кристалла нарушается.

Диффузирующие основные носители рекомбинируют, в результате чего изменяется концентрация подвижных носителей. В приконтактном слое образуются заряды: в p-области отрицательные, в n-области положительные. В результате образуется двойной слой пространственного заряда, который называется запирающим. Запирающий слой может быть неоднородным из-за смещения нейтрали в сторону области с меньшей концентрацией примеси. Пространственные заряды образуют электрическое поле перехода с максимальной направленностью на границе изменения заряда.

Выпрямительные диоды работают на частоте 50-100 кГц (рис. 11), служат для преобразования переменного напряжения в постоянное (выпрямленное).

Рис. 11. Выпрямительный диод КД510А

Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя с балансом рассеиваемой мощности (рис. 12). Рабочая точка стабилитрона устанавливается таким образом, чтобы пересечение нагрузочной прямой на ВАХ с характеристикой стабилитрона приходилось на площадку стабилизации. В отличие от стабилитрона стабистор работает на прямой ветке ВАХ, в результате чего напряжения стабилизации стабисторов незначительны (порядка 0.7…1.8 Вольт).

Рис. 12. Стабилитрон КС515А