Усилватели на мощност за звуковият обхват
Дата: Sunday, October 26 @ 01:08:21 CEST
Тема: Полупроводникови Усилватели


Boris J. Ribov
Усилватели на мощност за звуковият обхват

Автор на тематиката: Борис Й. Рибов
за контакти: lz1bjr@qsl.net



Технически данни и параметри

1.1  ОБЩИ СВЕДЕНИЯ ЗА УСИЛВАТЕЛИТЕ
   Усилването на електрически сигнали е основен процес в радио-електрониката, тъй като сигналите от източниците са слаби и не могат да се използуват непосредствено. Така например сигналът от антената на радиоприемника е съвсем недостатъчен за задействане на високоговорителя, токът на входа на електронния волтметър се усилва, за да отклони стрелката на уреда, и т.н.
   За усилването на електрически сигнали е характерно следното:
  • - изходната мощност е по-голяма от входната за сметка на зах-ранващия източник
  • - изходният и входният сигнал трябва  да са еднакви по форма, за да се запази информацията, която се съдържа в тях
  • - отношението на изходния и входния сигнал трябва да е неза-висимо от честотата и амплитудата
   Усилвателят е устройство, с което се осъществява усилване на електрически сигнали. Усилвателният елемент /транзисторът/ и електрическите вериги които служат за връзка с източника на сигнала и с товара, образуват усилвателно стъпало.
   Съвременните усилвателни устройства са многостъпални. Така всяко от стъпалата има по-малък коефициент на усилване а оттам се снижава и коефициента на нелинейни изкривявания защото се използуват местни отрицателни обратни връзки.

1.2 Класификация на улилвателите:
   По широчината на честотната лента и честотите на сигналите се различават три основни класа.
  • Постояннотокови усилватели. Долната гранична честота на тези усилватели е равна на нула. Към тях могат да се отнесат операционните усилватели.
  • Нискочестотни усилватели. Те усилват сигнали, за които важи условието f2/f1 >>1 ,където f1 и f2 са съответно най-ниската и най-високата честота. Много специалисти от практиката смятат за нискочестотни усилватели тези, които усилват сигнали със звукови честоти /от 20 Нz до 20 кНz/.
  • Високочестотни усилватели. Високочестотните усил-ватели са предназначени за сигнали, чийто спектър е групиран около една централна честота. Тази особеност позволява използуването на трептящи кръгове за товар - оттук и честото наз-вание резонансни усилватели.
   Съобразно ролята в един многостъпален усилвател се различават предварителни /предусилватели/ и крайни /изходни/ усилватели. Първият вид се използува за усилване на сравнително слаби сигнали, а вторият осигурява необходимата големина на сигнала за товара. Така например в една уредба за озвучаване предусилвателят се състои от няколко стъпала, които усилват сигнала от източника /микрофон, грамофон и др./ а крайният усилвател е мощен, за да захранва високоговорителите.
Проектирането на усилвателни устройства е творчески процес, който изисква добро познаване на достиженията в тази област, а също така на физическите процеси в усилвателите и тяхното количествено изразяване.
Необходимостта от нов усилвател възниква във връзка с повишените изисквания към качествените показатели. Създаването на нов усилвател се основава на нови схеми, нови градивни елементи и нови технологии.
При проектирането се решеват редица трудни задачи. Трябва да се осигурят необходимите качествени показатели с минимални разходи.  Това означава да се използуват евтини материали, разходите за производство на един усилвател да са минимални, неговата експлоатация да е удобна и свързана с възможно най-малки разходи.

1.3 Блокова схема на стерео усилвател
Figure 1
    Преди сиг-налът от източ-ника да постъпи на крайното стъпало той трябва да се усили. Ето защо първо преминава през предварителни стъпала.Там той се усилва до определеното ниво за крайното и предкрайното стъпало или пък се корегира амплитудно честотната характеристика както е при случая ако се усилва сигнал от грамофон с динамична доза.
   За подобряване на показателите на усилвателя е необходима верига за обратна връзка, която да обхваща крайното и предкрайното стъпало. Тя намалява нелинейните изкривявания и изходното съпротивление. Ето защо примерната структурна схема на нискочестотния усилвател има вида, показан на фиг. 1.
Figure 2
    Както се вижда схемата е симет-рична относно из-точника на зах-ранване. Това е така защото той захранва два абсолютно еднакви усилвателни канала. При стерео усилвателите ка-налите са два за-щото е необходимо да се пресъздаде пространствения ефект (през левия канал се чуват звуците записани от левия микрофон а през десния канал - от десния микрофон). Това е илюстрирано на фиг. 2.

1.4 ОСНОВНИ ПОКАЗАТЕЛИ НА УСИЛВАТЕЛИТЕ
Свойствата на усилвателите се оценяват количествено чрез основните им показатели. Те са необходими при разработването и комплектуването на апаратурите, за определяне на качеството, за избягване на недоразумения в търговията и т.н. Някои показатели се определят и от действуващите стандарти.

1.4.1 Параметри на усилвателя:
Входно съпротивление. Дава се с израза
Rвх = Uвх / Iвх
Когато входният сигнал е променлив входното съпротивление е по променлив ток и се нарича още динамично или диференциално. На практика за нискомен вход се смята този с Rвх<(5 kом-10 kом),а за високоомен - този с Rвх>(20-50 kом ) .

Изходно съпротивление.То се определя от израза

Rизх = Uизх / Iизх
 като ако изходният сигнал е променлив се нарича още диференциално или динамично.Ако Rизх <(2 k-5 k), е прието изходът да се нарича нискоомен.Ако Rизх >(20 k-50 k), тогава е налице високоомен изход.

Изходна мощност.Това е променливотоковата изходна мощност на усилвателя. На практика се използва понятието номинална изходна мощност. Това е мощността отделена в товара при определен коефицент на нелинейни изкривявания. Номиналната изходна мощност се определя от стойностите на номиналния изходен ток и номиналното изходно напрежение от формулите

Pизх= Uизх. Iизх = Rт. Iизх2=Uизх2/Rт
Чувствителност. Амплитудата на входното променливо напрежение при която на изхода се получава номиналната изходна мощност се нарича чувствителност на усилвателя. Усилвателя трябва да се проектира с чувствителност равна или по-висока от напрежението на сигнала от източника.

Собствен шум.На практика изходното напрежение на усилвателя не е равно на нула когато входното е равно на нула. Причината за това е собствения шум на транзисторите и резисторите, недобро филтриране на мрежовото напрежение, лошо екранирани или неекранирани входни вериги и други. Трябва да се има предвид, че основен източник на шум са първите стъпала на усилвателя тъй като техният шум се усилва по-нататък.

Динамичен обхват. Той характеризира способността на  усилвателя  да усилва както малки така и големи сигнали. Дина-мичният обхват се определя от израза

D=Uвх max / Uвх min
където Uвх max и Uвх min са стойности на входното напрежение между които амплитудната характеристика (наричана още преда-вателна характеристика)  на усилвателя е линейна. Самата амп-литудна характеристика графично изразява зависимостта между изходното и входното напрежение на усилвателя при определена честота.
Качествения  НЧУ трябва да има възможно най-голям динамичен обхват за да може да възпроизведе и най-тихите и най-силните тонове. Това се постига от една страна с повишаване на изходната мощност  а от друга - с намаляване на нивото на собствения шум.

Коефициент на полезно действие /к.п.д./ Той показва каква част от цялата консумирана от токоизточника мощност се превръща в полезна изходна мощност

n=Pизх. ном.  / Pзахр.
К.п.д. на крайните стъпала зависи от режима на работа /класа на усилване/ К.п.д. по принцип е голям, когато постоянните токове в колекторните вериги са възможно по-малки в сравнение с токовете на полезния сигнал.

Амплитудно-честотна характеристика /АХЧ/. Това е графично изразената зависимост на коефициента на усилване по напрежение от честотата. При идеалните усилватели това е една права линия /фиг.3а/ При реалните усилватели коефициентът на усилване по напрежение намалява с повишаване на честотата, поради което АЧХ вече не е права линия, а има формата, показана на фиг.3б. Това се дължи преди всичко на влиянието на свързващите капацитети и на намаляване на коефициента на усилване по напрежение на самите транзистори при повишаване на честотата.

Figure 3
Неравномерност на АЧХ. При реалните усилватели ходът на АЧХ не е права линия. Обикновено при ниските и при по-високите честоти има спадане на АЧХ. Освен това се срещат и случаи на подем /повдигане/ на характерис-тиката за дадена честотна област. Тези отклонения на коефициента на усилване в сравнение с усилването при средни честоти се наричат неравномерност на АЧХ. Поради особеностите на човешкото ухо се допуска из-вестна нерав-номерност на Кu в областта на ниските и вис-оките честоти. Практиката е показала, че най-голямото спадане на Кu, което все още не се забелязва от човешкото ухо, е 30% или 3dВ спрямо стойността му при средни честоти, напр. при 1кНz.

Честотен обхват. Това е обхватът от честоти, в границите на който коефициентът на усилване намалява с определена стойност. За качествените нискочестотни усилватели честотният обхват непременно трябва да покрива обхват от честоти, които човек чува, т.е.  20-20000Нz.

Честотни изкривявания. Това са изкривявания, които се дължат на нееднаквото усилване на сигналите с различни честоти. На практика усилвателите не усилват еднакво различните хармоници на входния сигнал, с което се изменя тяхното съотношение, а това поражда изменение на тембъра на звука и именно това е резултатът от честотните изкривявания.

Figure 4
Фазови изкривявания. Този вид изкривявания се пораждат от честотнозависими елементи в усилвателите /кондензатори, бобини, транзистори и др./. При усилване на синусоиден сигнал фазовите изкривявания предизвикват изоставане или избързване на изходния сигнал спрямо входния. Това избъраване или изоставане се нарича още допълнително дефазиране и трябва да се разграничава от основното дефазиране, породено от начина на включване на транзисторите.Допълнителното дефазирне на сигнала зависи от неговата честота и се изразява с фазово-честотната характеристика на усливателя. На фиг.4 е показана фазово-честотната характеристика на постояннотоков усилвател. При граничната честота на усилвателя ъгълът на допълнителото дефазиране е -45°.

Нелинейни изкривявания. Когато формата на изходния сигнал се различава от формата на входния сигнал, налице са нелинейни изкривявания. С други думи, при наличие на нелинейни изкривявания на изхода на усилвателя се получават нови  трептения, каквито липсват на входа. И колкото амплитудите на тези трептения са по-големи спрямо основния сигнал, толкова нелинейните изкривявания са по-големи. Количествената оценка на нелинейните изкривявания става чрез коефициента на нелинейни изкривявания /известен още като клирфактор, коефициент на хармониците/. Той е равен на отношението между сумата от всички хармоници след основния, към сигнала с основна честота.Причината за появата на нелинейни изкривявания е нелинейността в характеристиките на елементите /транзистори, диоди и др./ с които се изгражда нискочестотния усилвател.

Интермодулационни изкривявания. Входните сигнали на един нискочестотен усилвател не са синусоидни, а с много по-сложна форма.  В резултат на нелинейните изкривявания освен хармоници се появяват и комбинационни трептения, които представляват суми и разлики от трептения с различни честоти. Така получените изкривявания са особено неприятни за ухото.

Динамични изкривявания Това са изкривявания на сигнала, проявяващи се в моментните и резки амплитудни изменения (атаки) на сигнала. Причината за тяхната поява са много дълбоките отрицателни обратни връзки и ниската гранична честота на усилвателите. Динамичните изкривявания са едни от най-неприятните и ако са над допустимите, могат да променят до неузнаваемост звуковата картина.

1.4.2 ИЗКРИВЯВАНИЯ В НИСКОЧЕСТОТНИЯ УСИЛВАТЕЛ
Всяко изменение на формата на усилвания сигнал се нарича изкривяване. При нискочестотните усилватели се получават различни видове изкривявания на сигнала, породени от използуваните нелинейни елементи, от дълбоките отрицателни обратни връзки, зависимостта на коефициента на усилване от честотата и др.

ЧЕСТОТНИ ИЗКРИВЯВАНИЯ Реалните усилватели не усилват еднакво сигналите с различни честоти, като причина за това са използуваните честотно зависими елементи /кондензатори, бобини и др./ и зависимостта на коефициента на усилване на транзисторите от честотата. При това положение различните хармоници не се усилват еднакво и в резултат на това като цяло се изменя тембърът на звука. Обикновено усилването спада при ниските и високите честоти спрямо усилването при средни честоти, макар че има честотни области, в които усилването нараства.
Коефициентът на честотни изкривявания на усилвателя се дава като отношение между коефициента на усилване при избраната горна гранична честота към коефициента на усилване при средни честоти:

М= Кf / Ко
При идеалния усилвател М = 1 за целия честотен диапазон, но при реалния усилвател той може да е както по-малък от 1, така и по-голям от 1 /има "повдигане" на усилването/. Общият коефициент на честотни изкривявания при многостъпални усилватели е равен на произведението от коефициентите на отделните стъпала или на тяхната сума, ако са изразени в децибели.

НЕЛИНЕЙНИ ИЗКРИВЯВАНИЯ Както вече се спомена по-горе нелинейните изкривявания се пораждат от използуваните нелинейни елементи и се изразяват в това, че на изхода на усилвателя се появяват трептения с честоти, каквто не са подавани на входа на усилвателя. Коефициентът на нелинейни изкривявания дава съотношението между амплитудите на всички новополучени хармоници към амплитудта на основния тон. Той е число без измерение и е винаги по-малък от 1. Причини за появата на нелинейни изкривявания са нелинейността на входната характеристика на транзисторите, илюстрирана на фиг. 5, както и нелинейната зависимост на коефициента на усилване по ток от колекторния ток.
С нарастване на амплитудата на сигналите се навлиза в нелинейната област от характеристиките на транзисторите. Ето защо основен източник на нелинейни изкривявания са крайните стъпала, където и амплитудата на усилвания сигнал е най-голяма.

Figure 5
Един от методите за минимизиране на нелинейните изкривявания в крайни стъпала, работещи в клас В, е т. нар. корекция на изкривяванията с "права" връзка. Принципът на този метод става ясен от примерната схема, показана на фиг.6. Усилвателят А е линеен, работещ в клас А с фиксиран коефициент на усилване по напрежение.  Транзисторите Т1 и Т2 изграждат крайното стъпало на мощния усилвател. Те работят в клас В и при превключването им се получават изкривяванията на изходния сигнал. Целта е тези изкривявания да бъдат премахнати.
Figure 6
    Както се вижда от схемата, токът през високоговорителя, представлява сума от изходния ток I3 на усилвателя А и I4 - на крайното стъпало. Стойността на Z зависи от необходимия коефициент на усилване по напрежение на усилвателя, т.е. той заедно със Z1, Z2, Z3 и Z4 определя дълбочината на обратната връзка.
Както вече беше отбелязано отрицателната обратна връзка намалява изкривяванията до определена стойност. Изкривяванията на изходния сигнал се подават през Z3 към високоговорителя със същата амплитуда, но с обратна фаза на тези, които се съдържат в основния сигнал. Сумирането на двата сигнала във високоговорителя води до почти пълно изчезване на изкривяванията. Това е показано условно на фиг.7, където I4 е основният ток, I3 е коригиращият ток, а Iвг е токът през високоговорителя.
Figure 7
За повишаване на устойчивостта на усилвателя срещу самовъзбуждане неговият коефициент на усилване с обратна връзка трябва да намалява при повишаване на честотата. Това условие се изпълнява, когато Z4 е индуктивност, Z1 е капацитет, а Z2 и Z3 са активни съпротивления. На фиг.8 са дадени и примерни стойности на тези елементи. На практика обикновено последователно на бобината L и паралелно на кондензатора С се включва резистор.Необходимо е да се има предвид и това, че изкривяванията на усилвателя А трябва да са съвсем малки, тъй като те се подават директно към високоговорителя. Това се постига лесно, когато усилвателят работи в клас А.
Figure 8
За получаването на минимални изкривявания е необходимо във веригата на ОВ да се използува усилвател с много голям коефициент на усилване без обратна връзка. Също така е желателно крайните транзистори Т1 и Т2 да имат много голям коефициент на усилване по ток. Най-добре е да се използуват двойки или дори тройки транзистори, свързани по схема Дарлингтон.

ДИНАМИЧНИ ИЗКРИВЯВАНИЯ Динамичните изкривявания на сигнала са тези, които се появяват в моментите на резки амплитудни изменения на сигнала, които ще наричаме накратко "атаки" /фронтове/ на сигнала.Усилвателят с обратна връзка може условно да се раздели на две части - основен усилвател с коефициент на усилване К и верига за отрицателна обратна връзка с коефициент bов За да се задействува отрицателната обратна връзка и да окаже положителното си влияние върху параметрите на усилвателя, сигналът трябва да премине през основния усилвател и едва тогава да се върне през обратната връзка, а за това е необходимо време.При подаване на сигнал със стръмен фронт на входа известно време усилвателят ще работи на практика без обратна връзка, докато сигналът на изхода достигне съответната стойност. А без обратна връзка усилването е много голямо и някои стъпала могат да навлязат в области на ограничение, тъй като някои транзистори се насищат. В този именно момент се получават динамичните изкривявания, т.е. докато се зъдействува отрицателната обратна връзка, или с други думи, в моментите, когато усилвателят работи "без" обратна връзка. Този процес е илюстриран на фиг.9

Figure 9
Динамичните изкривявания изменят забележимо звуковата картина и ако са над сопустимата степен, могат да я променят до неузнаваемост Динамичните изкривявания са тези, които предизвикват т.нар. "транзисторно звучене" на усилвателите. В такива случаи обикновено се казва, че липсва прозрачност на звученето, че звукът не е чист, че звуковата картина е изменена, че тембърът на звука е изменен, и то в моментите на "атаката" на звука.
Както всеки тон се разпознава по честотата, така отделните музилакни инструменти се различават по тембъра и най-вече по "атаката" на звука. Човешките гласове също се разпознават по "атаката". Чрез нея ние възприемаме интонацията, различаваме емоциите. Известно е, че и пианото, и цигулката са струнни инструменти но ги различаваме по "атаката" на тоновете, които те създават. За разпознаването естествено са важни и тембърът, и хармоничният състав на всеки тон, но се оказва, че решаваща роля играе "атаката". Поради това дори при сериозни изменения на тембъра, например при възпроизвеждане от стари и повредени грамофонни плочи, няма да сбъркаме два инструмента, докато при умишленото изрязване на "атаките" дори и опитни музиканти не могат да разпознаят своя инструмент.
Оказва се , че причината за появяването на динамични изкривявания е наличието на много дълбока отрицтелна обратна връзка. Същата, която намалява нелинейните изкривявания, стабилизира усилването и режима на стъпалата, предизвиква динамични изкривявания, ако не се използува правилно. За да не се получават динамични изкривявания, не бива на входа на усилвателя да се подават сигнали с честоти, по-високи от граничната честота на усилвателя с обратна връзка, т.е. сигнали които усилвателят би възпоризвел с изкривявания. Ето защо обикновено на входа на усилвателя се включва нискочестотен филтър, отстраняващ подобни сигнали.

ИНТЕРМОДУЛАЦИОННИ ИЗКРИВЯВАНИЯ Входните сигнали за усилвателите не са само синусоидни, а съдържат трептения с най-различна форма и честота. Поради наличието на нелинейни елементи се появяват и комбинационни трептения вследствие на смесването на такива сигнали. Смесването е понятие от радиотехниката. Ако на един нелинеен елемент се подадат едновременно сигнали с честоти f1 и f2, в изхода му ще се получат освен сигнали с тези честоти и сигнали с нови честоти - f1+f2, f2-f1, 2f2-f1, 2f1-f2, 3f2-f1 и много други комбинации. Докато в радиотехниката смесването е много полезно /без него не биха съществували суперхетероиднните радио - и телевизионни приемници и т.н./, при звуковъзпроизвеждането то е вредно. В резултат на новопоявилите се сигнали оригиналният сигнал се изкривява и този вид изкривявания се наричат интермодулационни изкривявания.Количествено интермодулационните изкривявания се изразяват с коефициента на интермодулационни изкривявания, представляващ отношението на сумата от амплитудите на сигналите с комбинационни честоти към амплитудата на сигнала с основна честота. Измерването на този коефициент е много трудно. За целта са необходими два тонгенератора с точно съотношение на амплитудите и честотите, както и прецизни филтри. Поради това в любителската практика се измерва само коефициентът на нелинейни изкривявания и по него се съди и за коефициента на интермодулационните изкривявания, като се знае, че колкото единият коефициент е по-малък толкова е по-малък и другия.

1.5 СХЕМИ НА СВЪРЗВАНЕ НА ТРАНЗИСТОРИТЕ
Всички схеми на нискочестотни усилватели са изградени с транзистори /интегралите НЧУ и ОУ също са изградени с транзистори
Съставни транзистори. Това са два или повече транзистора, свързани така, че като цяло образуват усилвателен прибор с три извода. Характерното за такива транзистори е много големият коефициент на усилване по тоk b, получен от умножението на коефициентите b на отделните транзистори.
Figure 10
Когато съставният транзистор се състои от два или повече еднотипни биполярни транзистора, колекторите на които са свързани, говорим за схема Дарлингтон /фиг. 10/. По принцип схемата Дарлингтон може да се разглежда като обикновен биполярен транзистор с много голям коефициент b, голямо входно и малко изходно съпротивление. На практика схемите Дарлингтон са изградени от нееднакви транзистори, като всеки следващ е по-мощен от предния. Като недостатък може да се спомене недобрата температурна стабилност на тази схема.
Когато съставният транзистор се състои от два или повече биполярни транзистора с различна проводимост, той е комплементарен съставен транзистор. Качествата му са същите както на схемата Дарлингтон, с тази особеност, че първият транзистор определя типа на проводимост на целия съставен транзистор, т.е. от него зависи кой извод е колектор, кой - емитер и кой - база /фиг.11/.
Figure 11
1.6 ПРЕДУСИЛВАТЕЛНО СТЪПАЛО
    Схемата на един мощен нискочестотен усилвател може условно да се раздели на три части: крайно стъпало, драйверно стъпало и предусилвателно (възбудително) стъпало.
Figure 12
Предусилвателното стъпало трябва да осигури усилването по напрежение на целия усилвател, тъй като драйверното и крайното стъпало обикновено са емитерни повторители с коефициенти на усилване по напрежение по-малки от 1. Съществуват най-разнообразни схеми на предусилвателни стъпала. Обикновено се използува транзистор /PNP или NPN/ в схема с общ емитер, както е показано на фиг 12
Съпротивлението на резистора R2 се определя в зависимост от необходимия базов ток за драйверните транзистори. То се избира компромисно, тъй като ако е голямо  - и напрежението върху резистора ще бъде голямо, а това няма да позволи използуването на цялото захранващо напрежение. Ако съпротивлението на резистора R2 е много малко, протичащият през него ток ще е много голям и опасен за транзистора.
Figure 13
Това също показва предимството на използуването на транзистори с голям коефициент на усилване по ток b. Тогава необходимия базов ток за драйверните транзистори ще бъде по-малък и ще може да се използува по-високоомен резистор R2, а това ще разтовари транзистора Т1 по мощност. Тъй като в схемата от фиг.12 транзисторът Т1 е включен по схема с общ емитер, коефициентът на усилване по напрежение на стъпалото зависи от стръмността на транзистора и от товарното съпротивление на стъпалото. Стръмността зависи от избраната работна точка на транзистора, докато товарното съпротивление зависи от резистора R2 и от входното съпротивление на драйверното стъпало. Ето още една причина, която изисква R2 да е възможно по-високоомен, за да бъде и коефициентът на усилване по-голям.
Напоследък често се срещат схеми на предусилвателни стъпала, изградени с диференциални усилватели. На фит.13 е показана схемата на такова предусилвателно стъпало с диференциален усилвател, реализиран с транзисторите Т1 и Т2. В сравнение с обикновените транзисторни усилвателни стъпала диференциалният усилвател има много предимства - два входа, два изхода, много добра температурна стабилност, много голям коефициент на усилване по напрежение, слаба зависимост на параметрите от промените на захранващото напрежение, много добра шумозащитеност, т.е. способност да усилва малки сигнали при наличието на големи смущаващи сигнали. Всички тези свойства се проявяват само ако двете рамена на диференциалния усилвател са симетрични.
Figure 14
На базата на единния транзистор Т1 се подава входният сигнал, който трябва да се усилва, а на другия транзистор Т2 се подава сигналът от отрицателната обратна връзка от изхода на усилвателя. Както е известно, диференциалният усилвател е превъзходен усилвател по напрежение за разликата между два сигнала, каквито тук са входният сигнал и сигналът от ООВ, докато синфазните сигнали той силно потиска. А именно такива са нежелателните бавноизменящи се сигнали, породени от температурния дрейф и от промените на захранващото напрежение, шумовете, смущаващите сигнали и др.
Когато диференциалният усилвател е направен с дискретни транзистори, поради неизбежните производствени толеранси /разлики в параметрите на отделните образци/ не може да се получи пълна симетрия на двете рамена. Това е причината реалните диференциални усилватели да не потискат напълно синфазните сигнали в изхода, например температурният дрейф не е нула. Също така няма пълно съвпадение на входните характеристики на двата транзистора, както и на коефициентите на усилване по ток на двата транзистора в работния температурен интервал.
Теорията и практиката показват, че най-ефикасният начин за подобряване на качествата на диференциалния усилвател е увеличаване на съпротивлението на резистора R4. Това е свързано понягота с известни неудобства при настройката, поради което в практиката по-често се използува вместо резистора R4 един генератор на ток. На фиг.14 той е изграден с транзистора Т3, резисторите R4 и R5 и диодите D1 и D2. Този генератор трябва да осигурява ток с много голяма стабилност. Това означава, че неговият ток в работния участък практически не трябва да зависи нито от напрежението, нито от температурата.
Токът на генератора представлява сума от токовете през двата транзистора Т1 и Т2 на диференциалния усилвател. Точната стойност на тока зависи от желаната работна точка, честотна лента, усилване, разсейвана мощност и може да се променя в известни граници, като се променя съпротивлението на резистора R4.
Теоретично се доказва, че генераторът на стабилен ток уеднаквява колекторните токове на двата транзистора, т.е. той ги симетрира допълнително. От това следва, че неизбежната асиметрия в диференциалните усилватели, изградени с дискретни транзистори, може в значителна степен да се компенсира чрез осигуряването на стабилен ток.
В базовата верига на транзистора Т3 са включени диодите D1 и D2, които стабилизират температурно режима на работа на генератора. При повишаване на температурата токът на генератора се стреми да нарасне, а напрежението върху диодите намалява.  Това от своя страна води до намаляване на преднапрежението на транзистора Т3, неговият колекторен ток намалява и така се получава температурно стабилизиране.
Сигналът от колектора на транзистора Т1 се подава на базата на транзистора Т4, свързан по схема с общ емитер. За да бъде и неговото усилване по напрежение голямо, е необходимо транзисторът да има голяма стръмност, колекторният товар да е с голямо съпротивление и входното съпротивление на следващото стъпало да е голямо. Увеличаването на стръмността и съпротивлението на колекторния товар е свързано с някои нежелани явления /нарастване на собствения шум, увеличаване на дрейфа, увеличаване на захранващото напрежение и др./, поради което на практика много често се използува т.нар. динамичен товар за получаване на голям кооефициент на усилване по напрежение.
Динамичният товар представлява елемент, който има голямо съпротивление за променлив ток и малко съпротивление за постоянен ток. От това следва, че един генератор на ток е идеален динамичен товар.
В схемата на фиг. 14 динамичен товар за транзистора Т4 е генераторът на ток с транзистора Т5, включен по схема с обща база, която има много голямо изходно съпротивление. Токът на този генератор се стабилизира температурно също с диодите D1 и D2, като стойността му зависи от съпротивлението на резистора R8.
Транзисторите Т1 и Т2 трябва да са с максимално близки параметри /b, Ucв, fт, Pc /, като е желателно използуването на транзистори с по-малък собствен шум. Транзисторите Т4 и Т5 трябва да са направени от един и същ мтериал /силиций/, но да са с различна проводимост и бризки параметри. Пробивното напрежение Uсео на всички тези транзистори трябва да е по-високо от използуваното захранващо напрежение.

       1.7 ДРАЙВЕРНО СТЪПАЛО
Задачата на това стъпало е да управлява крайните транзистори по напрежение и ток. На фиг.15 е показана основната схема на едно драйверно стъпало заедно с крайното стъпало. Комплементарната двойка драйверни транзистори Т1 и Т2 работят поотделно за положителните и отрицателните входни сигнали. Те са обикновено средномощни /0,5-5W/ и работят като емитерни повторители.
Figure 15
 На фиг.16 е показана схемата на драйверно стъпало за крайно стъпало с еднотипни транзистори. Тук комплементарната двойка драйверни транзистори Т1 и Т2 играят ролята и на фазоинверсно стъпало, осигуряващо противофазен управляващ сигнал за крайните транзистори.
Figure 16
Изискванията за максимално допустимо напрежение Uсе на драйверните транзистори са същите, както и за крайните транзистори, т.е. Uсемах > Ес+(15-20%)Ес. При симетрично двуполярно захранващо напрежение е в сила изразът
  Uсемах  >  2Е + (15-20%)Е.
Токът, който трябва да издържат драйверните транзистори /Iсмахд/ се определя от максималния колекторен ток Iсмахк на крайните транзистори и техния коефициент на усилване по ток:
Ic maxд > Ic maxk/b
Резисторите R2 и R3 се включват, за да се осигури на Т1 и Т2 нормален режим на работа с малки нелинейни изкривявания, както и за получаването на високо пробивно напрежение на крайните транзистори Т3 и Т4.
Може приблизително да се приеме, че разсейваната мощност от драйверните транзистори е b /на крайните транзистори/ пъти по-малка от мощността, която разсейват крайните транзистори, като стойността се определя за ток, равен на 70% от максималния. Това потвърждава колко е важно коефициентът на усилване по ток да бъде голям. Ето защо в практиката се използуват съставни транзистори с много голям коефициент на усилване b, които обединяват в едно крайните и драйверните транзистори. Драйверното стъпало осигурява необходимото преднапрежение "база-емитер" на крайните транзистори, с което се определя и техния режим на работа. В действителност дори в режим на работа клас B транзисторите от крайното стъпало се нуждаят от известно преднапрежение "база-емитер" поради неидеалността на характеристиките си. Силициевите транзистори работят при преднапрежения, по-големи от  ±/0,5-0,6/V, а германиевите - от ±/0,1-0,2/V. По време, когато не работят и двата транзистора, се получават и най-големите нелинейни изкривявания
Figure 17
Най-просто преднапрежението за драйверни транзистори може да се получи чрез резистор, с промяната на тока през който може да се постигне желаната стойност на преднапрежението /фиг.17/ Напрежението "база-емитер" на транзисторите силно зависи от температурата, поради което се получава т.нар. температурно отместване на входната характеристика. За отстраняване на този недостатък паралелно на резистора /в случая - R2/ се включва терморезистор. Терморезисторът  Rt трябва да се монтира непременно върху радиатора на един от крайните транзистори /по възможност по близо до транзистора/, за да се осъществи добър топлинен контакт. Този вариант не е съвършен  поради което се използува само при прости усилватели за неголеми мощности.
Figure 18
По-добри резултати се получават, ако за компенсация на температурното отместване на входната характеристика на транзистора се използуват направо елементи, чието съпротивление при повишаване на температурата намалява. На фиг. 18  е показан вариант при който е използван диод. Диодът има същото температурно изменение на съпротивлението, каквото има и преходът "база-емитер" на транзистора. Освен това променливотоковото съпротивление на диода е значително по-малко от това за постоянен ток. По такъв начин асиметрията на входните променливи напрежения на Т1 и Т2 е по-малка
Диодът трябва да се монтира върху радиатора на крайните транзистори и по такъв начин той работи при еднаква температура с тях. При повишаване на температурата напрежението "база-емитер" намалява, но по същия начин намалява напрежението и върху диода, така че режимът на работа на крайните транзистори не се променя.
При използуване на диод преднапрежението на транзисторите трудно се настройва и затова на практика често се използува схемата, показана на фиг.19. Транзисторът Т е този, който осигурява стабилно преднапрежение за драйверните транзистори. Използуването на транзистор като термостабилизиращ елемент се основава на това, че при повишаване на температурата напрежението "колектор-емитер" намалява. Преднапрежението на драйверните транзистори зависи от напрежението "колектор-емитер" на транзистора Т. То може да се изменя в известни граници чрез промяна в съотношението на съпротивленията на резисторите R1 и R2. На практика това става чрез донастройващ резистор, както е показано на фиг.19
Figure 19
Транзисторът Т се монтира върху радиатора на крайните транзистори и така се осъществява топлинната връзка с тях. По този начин промяната на напрежението "база-емитер" на крайните транзистори вследствие на температурни промени веднага се "улавя" от този транзистор и се корегира от него чрез промяната на напрежението му "колектор-емитер" а оттам и на напрежението между базите на драйверните транзистори.
Стойността на напрежението "колектор-емитер" на транзистора Т се определя от избрания режим на работа на крайните транзистори и необходимия за този режим колекторен ток на покой. За стойности на този ток от 0 до 10мА режимът на работа е клас В, до 200-300мА режимът е клас АВ и за токове 1-2А - клас А. На практика точното преднапрежение на крайните транзистори за режим клас В се настройва най-добре с помощта на оксилоскоп, включен в изхода на усилвателя и сигналгенератор, подаващ на входа на стъпалото синусоидни сигнали с амплитуда 1-2V и честота, по-висока от 1кНz. Плъзгачът на донастройващия резистор R2 се върти дотогава, докато изчезнат изкривяванията тип "стъпало".

1.8 КРАЙНО СТЪПАЛО

1.8.1 Режим на работа
Режим клас А. В този случай работната точка се намира приблизително в средата на входната характеристика на транзистора /фиг.20/. Този режим е удобен за работа с малки сигнали. При по-големи входни сигнали има опасност от ограничаване на изходния сигнал и от поява на много големи нелинейни изкривявания. При липса на входен сигнал началният колекторен ток е с голяма стойност, което е причината при този режим на работа к.п.д. да бъде по-малък. Режимът клас А намира най-широко приложение, там където сигналите са сравнително малки - микрофонни усилватели, маломощни крайни стъпала и др.
Figure 20
Режим клас В. Работната точка при него се намира в началото на входната характеристика на транзистора /фиг.21/. В този режим транзисторите работят без начален колекторен ток и к.п.д. е много голям. Едно двутактно крайно стъпало работещо в клас В, внася много големи нелинейни изкривявания в областта на превключване. Особено характерни за този режим на работа са изкривяванията в изходния сигнал тип "стъпало" /фиг.22/ при подаване на синусоиден сигнал на входа.
Figure 21
Режим клас АВ. При този режим на работа се подава малко преднапрежение, с което работната точка на транзистора се измества малко надясно от началото, т.е. протича малък начален колекторен ток /фиг.23/. Така при работа на двутактно стъпало в режим клас АВ в областта на превключване работят и двата транзистора за разлика от клас В, при който не работи нито един.  С това нелинейните изкривявания силно намаляват, а к.п.д. си остава сравнително голям. Това е причината в съвременните транзисторни нискочестотни усилватели да се предпочита именно този режим на работа на крайните транзистори.
Figure 22
Figure 23
Режим клас С. Режимът клас С се характеризира с това, че ъгълът на отсечката е по-малък от 90°/фиг.24/. Токовият импулс е много богат на хармонични съставки, които предизвикат големи нелинейни изкривявания. За да се отделят тези хармоници, в изходната верига на усилвателния елемент се включва трептящ кръг, настроен на основната честота, поради което нейните хармоници затихват в достатъчна степен, т.е. кръгът се използува като избирателна система Тези предпоставки предопределят приложението на режим клас С в резонансните усилватели. При това коефициентът на полезно действие е значително по-голям в сравнение с останалите режими.
Режим клас D. Усилвателният елемент работи в режим клас D като електронен ключ с две основни състояния: отпушено и запушено. Когато на входа няма сигнал, не протича никакъв изходен ток: при постъпването на сигнал усилвателният елемент преминава в напълно отпушено /наситено/ състояние. По такъв начин е възможно усилване само на правоъгълни импулси.
Характерно за този режим е, че загубите са много малки и коефициентът на полезно действие има голяма стойност.
Режим клас D намира приложение в усилвателите, използувани в автоматиката и изчислителната техника. В усилвателите за звуковъзпроизвеждане още се срещат сериозни трудности поради появата на значителни нелинейни изкривявания. Превключванията са свързани с преходни процеси, които влошават качеството на възпроизвеждането. Затруднения възникват и при експлоатацията, тъй като усилвателите в режим клас D изискват прецизни регулировки, за да работят добре. От друга страна, работата в импулсен режим изисква преобразуване на аналоговия сигнал. За целта се извършва модулиране на импулсите по широчина, т.е. тяхната продължителност зависи от това, каква е стойността на аналоговия /звуковия/ сигнал. След усилването се извършва обратно преобразуване /демодулиране/. Очевидно е, че усилвателят се усложнява
Figure 24
Режим клас BC Голям к.п.д. се получава при съвместна работа на усилвателните елементи. Такъв е случаят, при който една част от елементите работят в клас В, докато сигналът е малък, а след като той превиши някаква стойност, се включват към тях елементи в режим клас С. Благодарение на това се получава по-голям к.п.д. в сравнение с клас В. При съвместната работа на усилвателните елементи пак се извършва превключване, тъй като захранването е от два източника.
В крайните стъпала мощностите са относително големи и това налага съгласуване между значителното изходно съпротивление на транзисторите и малкото съпротивление на товара. За получаване на необходимите големи токове усилвателният елемент трябва да има малко изходно съпротивление, т.е. крайните транзистори трябва да са мощни и да бъдат включени по схема с общ колектор. Сигналът се усилва по напрежение в предните стъпала, като в крайното обикновено той се усилва само по ток. Коефициентът на усилване по ток на мощните транзистори зависи от самите транзистори /той е между 10 и 150/ и от тока, при който се измерва.

1.8.2 Схема на двутактни крайни стъпала
Една често срещана схема на крайно стъпало е показана на фиг.25. Тя е съставена от два комплементарни транзистора, включени като емитерни повторители. На базите на двата транзистора се подава синусоиден сигнал. През положителния полупериод на сигнала е отпушен NPN транзисторът Т1 и през товара /високоговорителя/ протича ток от положителния полюс на захранването към маса. Това е илюстрирано с плътна линия на фиг.25. През това време PNP транзисторът Т2 е запушен, тъй като на базата му е подадено положително напрежение. През време на отрицателния полупериод на входния синусоиден сигнал се отпушва PNP транзисторът Т2 и през товара протича ток  от маса към отрицателния полюс на захранването. Това е илюстрирано с прекъсвана линия на фиг.25. Транзисторите Т1 и Т2 трябва да имат еднакви параметри, като и двата трябва да са силициеви или и двата - германиеви.
Figure 25
Често в любителската практика се среща и схемата на крайно стъпало, показана на фиг26. Характерното за нея, е че е изградена от два еднакви NPN транзистора. Това крайно стъпало се нуждае от две противофазни входни напрежения, които се осигуряват от фазоинверсно стъпало, включено преди крайното. Транзисторът Т2 работи в схема с общ емитер и въпреки мерките за симетриране и компенсация, които се вземат на практика, този схемен вариант е по-лош от показания на фиг.25.
Figure 26
На практика се срещат и схеми на крайни стъпала, които се захранват с еднополярно напрежение, т.е. несиметрично /фиг.27/. С подходящо схемно решение при липса на входен сигнал на емитерите на крайните транзистори се осигурява точно половината от захранващото напрежение. Изходният променлив сигнал се подава към високоговорителя през кондензатора С, чийто капацитет се определя от израза
Figure
 където    fн е долната гранична честота на стъпалото,  Rт -товарното съпротивление /съпротивлението на високоговорителя/
Figure 27
При положителен входен сигнал се отпушва само транзисторът Т1, като неговият колекторен ток тече през кондензатора С товар към маса. При това напрежението, с което се захранва  транзисторът Т1, е равно на половината от общото захранващо напрежение, тъй като то представлява разликата между напрежението на захранването и напрежението, до което се е заредил кондензаторът С. При отрицателен входен сигнал се отпушва транзисторът Т2, като той се захранва от кондензатора С, който се дозарежда при отпушен транзистор Т1. Посоката на тока през товара в този случай е обратна. При синусоиден входен сигнал колекторните токове на двата транзистора представляват полусинусоиди, като токът през товара е синусоиден.
1.9 Отрицателна обратна връзка
В нискочестотните усилватели много широко се прилага отрицателната обратна връзка /ООВ/, при която върнатият сигнал е обратен по фаза на входния.
Величината, която показва каква част от изходния сигнал се връща обратно на входа, се нарича коефициент на обратнат връзка и се определя от изрза /фиг.28/
Figure
Figure 28
Известно е, че коефициентът на усилване по напрежение на един усилвател без ООВ е
Figure
При наличие на ООВ този коефициент става
Figure
където U е входният сигнал за усилвателя, получен от разликата между действителния входен сигнал и сигнала от ООВ, т.е
Uвх = U -Uов
От тези изрази за коефициента на усилване с ООВ се получава
Figure
Изразът в знаменателя - 1+b ов . К се нарича дълбочина на отрицателната обратна връзка и се бележи с F. Това е число без измерение и показва колко пъти намалява усилването при наличие на ООВ в сравнение с усилването без ООВ. При липса на ООВ F=1
Когато при някой усилвател е изпълнено условието bов К >>1 се казва, че усилвателят е обхванат от дълбока ООВ. При това положение за коефициента на усилване се получава
Figure
Вижда се, че в този случай коефициентът на усилване не зависи от параметрите на усилвателя /т.е. на транзисторите/, а от веригата на отрицателната обратна връзка.ООВ подобрява стабилността на коефициента на усилване така, че относителните изменения на този коефициент, породени от стареене, температурни изменения, изменения на захранващите напрежения и др., с прилагане на ООВ намаляват F пъти.ООВ намалява нелнейните изкривявания на усилвателя, т.е. линеаризира неговата амплитудна храктеристика /характеристика на предаване по ток/, както е илюстрирано на фиг.29. Вижда се, че идеалният  усилвател без  ООВ усилва еднакво и двете полувълни на входния сигнал. При прилагане на ООВ намалението на усилването ще бъде еднакво и за двете полувълни. Следователно амплитудната характеристика след прилагането на ООВ ще бъде пак права линия, но с по-малък наклон порди по-малкия коефициент на усилване.Друго е положението при един реален усилвател без ООВ, който внася значителни нелинейни изкривявания на сигнала. От фиг.30 се вижда, че положителната полувълна се усилва повече от отрицателната. С прилагането на ООВ усилването намалява, като за положителната полувълна то ще намалее по-силно, отколкото за отрицателната. Наклонът на амплитудната характеристика е по-малък, тъй като Кu е намалял, т.е. тя е с по-добра линейност и изкривяванията ще намалеят. ООВ намалява нелинейните изкривявания F пъти.При въвеждане на ООВ едновременно с намаляване на коефициента на усилване се разширява честотната лента на усилвателя. Това разширяване се дължи на вече споменатия "изравнителен ефект" на ООВ. Дълбочината на ООВ при различно усилване е различна, т.е. там, където усилването е било голямо, намаляването е по-голямо и обратно.Когато ООВ съдържа честотнозавсим елемент, се получава честотнозависима отрицателна обратна връзка. Така например с включването на кондензатора С на схемата от фиг.14 обратната връзка от изхода става честотнозависима. Така стойността на коефициента Ков за звуковите честоти и за постоянния ток е различна и това не е случайно. За най-ниските честоти капацитетът на кондензатора се избра така, че реактивното му съпротивление Xc да е 5-10 пъти по-малко от съпротивлението на резистора R6 и по този начин да не се пречи на усилването в целия нискочестотен обхват. За постоянен ток обаче ООВ е 100%, т.е. целия изходен сигнал се връща на входа  и усилването е равно на 1. Ето защо, ако във входа на усилвателя се получи някакво постоянно напрежение, то не се усилва.Благодарение на ООВ се намалява влиянието на разликите в параметрите на елементите. Така например, ако напреженията "база-емитер" на двата входни транзистора се различават с 10 mV и липсват кондензаторът С, в изхода на усилвателя ще се получи постоянно напрежение 400-600 mV  /общото усилване е около 40-60/. Това постоянно напрежение ще измести мембраната на високоговорителя в една посока. С кондензатора С отместването ще бъде само 10 mV, тъй като усилването по постоянен ток е 1.Ако ООВ е последовтелна /по ток или напрежение/, входното съпротивление нараства F пъти. По такъв начин чрез подбор на дълбочината на ООВ може да се изменя входното съпротивление на усилвателя, което е особено важно при биполярните транзистори. Входното съпротивление на усилвателни стъпала с полеви транзистори е по принцип голямо.Изходното съпротивление на усилвателното стъпало намалява, ако стъпалото е обхванато от последователна или паралелна ООВ по напрежение и се увеличава, ако ООВ е последователна или паралелна по ток.
Figure 29
От всичко казано дотук за ООВ се вижда, че тя е едно универсално средство за подобряване на качествата на усилвателите. Намаляването на коефициента на усилване лесно се компенсира с включване на допълнителни усилвателни стъпала.
Figure 30
1.10 Операционен усилвател
Операционният усилвател е сложно устройство, което се изпълнява в съвременните условия като интегрална схема. Той обикновено съдържа няколко диференциални усилвателя, схема за преместване на нивото и краен усилвател и в схемите се използуват съставни или полеви транзистори. Така например сложна схема се помества в подходящ корпус със съответни изводи.Електрическите връзки между стъпалата на операционния усилвател са галванични. По тази причина възниква необходимосттта и от схемата за преместване на нивото. В това отношение са удобни също така диференциалните усилватели.
1.10.1 Приложение на операционния усилвател
Операционният усилвател има разнообразни приложения. За усилването на електрически сигнали се използуват няколко основни вида свързвания на усилвателя. Те ще бъдат показани за простота без захранването и елементите за корекция на честотната и фазовата характеристика.
Figure 31

Най-разпространена е схемата на инвертиращия усилвател /фиг.31/. Характерно за нея, е че сигналът се подава към входа, означен с минус, и след усилването променя полярността си. Върху схемата е означена моментната полярност на входния и изходния сигнал.
Коефициентът на усилване на операционния усилвател без обратна връзка е много голям. Неговата желана стойност се получава с помощта на резисторите R1 и R2, чрез които се създава отрицателна обратна връзка по напрежение.
Необходимите стойности на входния ток и входното напрежение преди въвеждане на ОВ са много малки. Ето защо може да се смята, че входният ток Iвх, означен на схемата, преминава преди всичко през двата резистора R1 и R2. Тъй като стойностите на Uвх са много малки и близки до потенциала на общия проводник, върху R1 действува цялото входно напрежение на сигнала Uвх, а върху R2 - цялото изходно напрежение Uизх. Това допускане позволява да се установи приблизително и коефициентът на усилване на инвертиращия усилвател

Figure
Знакът минус съответствува на противоположния характер на полярността на U’вх и Uизх.
При изчисляването на усилвателя се изхожда от необходимия коефициент на усилване, задава се R2 от 50 до 100к и се определя R1.Входното съпротивление на инвертиращия усилвател е равно на R1. Това налага да се приемат и по-големи стойности на R2.
За неинвертиращия усилвател е характерно, че сигналът се подава към входа, означен с плюс /фиг.32а/, и както се вижда от схемата напреженията на входния и изходния сигнал са във фаза. Чрез резисторите R1 и R2 се създава дълбока отрицателна обратна връзка. Поради това може да се използува следната формула за определянето на коефициента на усилване
Figure
Входното съпротивление на неинвертиращия усилвател е голямо, тъй като отрицателната обратна връзка е дълбока и последователна. Върнатия сигнал от изхода се прилага към входа чрез резистора R1, който чрез общия проводник е включен последователно с източника на сигнала, т.е. напрежението на обратната връзка и Uвх се сумират векторно във входната верига на усилвателя. Това се обяснява лесно, като се вземе под внимание, че в случая на входа е включен диференциален усилвател, който усилва разликата от входните сигнали.
Figure 32
Чрез делителя R1 и R2 в разгледания усилвател се връща част от напрежението на изходния сигнал. Ако се върне цялото напрежение от изхода към входа и тъй като отрицателната обратна връзка е последователна и по напрежение, се получава усилвател със свойствата на повторител. Неговата схема е съвсем проста и може да се види на фиг.32б; свойствата му са аналогични на свойствата на повторителите, реализирани с транзистори. Например повторителят с операционен усилвател има голямо входно и малко изходно съпротивление, коефициентът на усилване е по-малък от единица и т.н.
Разгледаните схеми с операционни усилватели се използуват преди всичко за усилването на аналогови сигнали в нискочестотния обхват.
Оргиналната статията http://www.qsl.net/lz1bjr/boardman/bg_indx.htm






Тази статия идва от bgaudio.org
http://www.bgaudio.org

URL на тази публикация е:
http://www.bgaudio.org/modules.php?name=News&file=article&sid=117