Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Однотактный усилитель мощности с резистивной и трансформаторной нагрузками

Основным требованием, предъявляемым к каскадам усиления мощности, является обеспечение в заданной нагрузке возможно большей или заданной величины мощности сигнала. Эта мощность должна быть получена при допустимом уровне нелинейных и частотных искажений, а также при возможно меньшем потреблении мощности от источника питания. Поэтому основными исходными данными при расчете каскада являются:

¾ мощность P_н, отдаваемая в нагрузку;

¾ уровень частотных М и нелинейных K_г искажений;

¾ рабочая полоса частотf_н и f_и;

¾ коэффициент полезного действия каскада.

Усилитель мощности обычно является выходным каскадом усилительного устройства. Сопротивление нагрузки усилителя мощности, как правило, не превышает величину нескольких десятков Ом. Если низкоомную нагрузку включить непосредственно в выходную цепь транзистора выходного каскада, имеющего обычно большое выходное сопротивление, то мощность сигнала в нагрузке окажется очень малой. В этом случае согласование выходного сопротивления усилительного каскада и сопротивления нагрузки осуществляется с помощью выходного трансформатора. Если нагрузка достаточно высокоомна, то она может быть включена непосредственно в выходную цепь оконечного усилительного каскада. На вход каскада мощного усиления поступает сигнал большой амплитуды, захватывающий всю рабочую область характеристик усилительного элемента, поэтому параметры усилительного элемента за период сигнала изменяются в широких пределах. Вследствие этого аналитические расчеты каскада с использованием малосигнальных параметров усилительного элемента дают большую погрешность и расчет всех показателей каскада усиления мощности обычно проводится графически по выходным характеристикам. Рабочая область характеристик располагается левее гиперболы потерь и ограничивается максимально допустимыми для данного усилительного элемента значениями выходного тока и напряжения, а также условиями получения минимальных искажений и минимального потребления мощности источника питания. Рабочая область выходных характеристик транзистора для схемы включения с общим эмиттером в режиме усиления мощности представлена на рис. 4.1.

Каскады усиления мощности могут быть как одно-, так и двухтактными. В зависимости от выбора рабочей точки и величины возбуждающего напряжения в этих каскадах используется тот или иной режим усиления. Однотактные каскады работают в режиме А.

Усилительные каскады, содержащие один или несколько параллельно включённых усилительных элементов, на входы которых подают одно входное напряжение и с выхода которых снимают одно выходное напряжение усиленного сигнала, называют однотактными. Они используются для получения в нагрузке сравнительно небольших мощностей. Однотактные каскады могут выполняться в зависимости от величины нагрузки с бестрансформаторным и трансформаторным её включением в выходную цепь каскада.

Простейшим способом подключения нагрузки к каскаду усиления мощности является её непосредственное включение в коллекторную цепь транзистора (рис.1,а). Если сопротивление нагрузки не имеет реактивных составляющих, то линии нагрузки по постоянному и переменному току каскада будут совпадать (рис.1,б).

Максимальная амплитуда напряжения на коллекторе Ukm = (U_kmax - U_kmin)/2. Амплитуда выходного тока каскада I_km = I_0k - I_kmin.

Предположим, что усилительный элемент идеален и его остаточные напряжения U_kmin и ток I_kmin равны нулю. Тогда U_kmax = E_k

Мощность потребляемая усилительным каскадом от источника питания, определится так как потребляемый каскадом ток I_о ≈ I_ок. Тогда максимально возможный КПД бестрансформаторного однотактного усилителя мощности в режиме А составит приблизительно 25%.

Сопротивление нагрузки, необходимое для получения такого КПД, имеющего место только при полном использовании тока и напряжения питания,

равно R_k0 = U_km/I_km = E_k/(2 * I_ok). Так как через нагрузку протекает и постоянная составляющая тока, то R_к0 = R_к_-. Наличие остаточных напряжения U_k_min и тока I_k_min

уменьшает максимальный КПД реального усилительного каскада. Практически достижимый КПД составляет 20%.

Достоинства: простота; отсутствие потерь мощности в выходном устройстве, дополнительных частотных и нелинейных искажений; возможность усиления сигналов в широкой полосе частот.

Недостатки: низкий КПД; протекание через нагрузку постоянной составляющей тока питания; наличие на нагрузке постоянного потенциала относительно общего провода.

Однотактный трансформаторный каскад

Схема однотактного трансформаторного усилителя мощности при включении транзистора по схеме с общим эмиттером приведена на рис. 4.2. На рис. 4.3 показана линия нагрузки каскада по переменному току, позволяющая провести анализ работы схемы графоаналитическим методом с использованием выходных и входных характеристик транзистора.

Порядок построения линии нагрузки таков. Вначале строится линия нагрузки по постоянному току. Транзистор в каскаде с трансформаторным включением нагрузки нагружен по постоянному току малым сопротивлением первичной обмотки трансформатора. Если R_Э=0, то напряжение на коллекторе мало отличается от напряжения е_к источника питания и линия нагрузки по постоянному току пройдет очень круто вверх из точки Е_к на оси напряжений (прямая R_к). Рабочая точка О каскада находится на этой нагрузочной прямой, и ее положение определяется величиной U_OK = Е_п - DЕ_п, где DЕ_п — падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора при выбранном значении тока покоя коллектора.

Рабочая точка О одновременно должна находиться на линии нагрузки каскада по переменному току. Поэтому для построения этой нагрузочной прямой необходимо найти одну из крайних ее точек на выходных характеристиках транзистора. Обычно этой точкой выбирается точка А, лежащая на перегибе одной из выходных характеристик. Такое расположение точки А обеспечивает для выбранного режима наименьшие нелинейные искажения при наименьшем потреблении мощности источника питания. Полученное значение I_к max не должно превышать I_Клоп для данного типа транзистора. Через точки А и О проводится линия нагрузки каскада по переменному току (прямая R_к). Точку В не располагают ниже характеристики, снятой при I_Б = 0, что определяется также условиями получения минимальных искажений при минимальном потреблении энергии от источника питания. При построении линии нагрузки стремятся обеспечить равенство участков АО = ОВ. Тогда амплитуды выходного тока и напряжения в оба полупериода будут равны, т е I'_km = I"_km = I_km и U _km =U""к„=U_km

Максимальная амплитуда переменной составляющей на коллекторе транзистора: U_km = U_OK U_kmin = E_k *DE_k * U_Kmm.

Максимальная величина напряжения на коллекторе, как видно из рис. 4.3,а, U_Kmax ⁼ 2U_Km + U_Kmin. Эта величина не должна превышать значение, максимально допустимое для данного типа транзистора.

Максимальная амплитуда тока в выходной цепи транзистора Ikm ⁼ I_0K*I_Kmin Мощность, отдаваемая транзистором, численно равна площади треугольника ADO (треугольника мощности), т. е. P_ВЫХ ⁼0,5*U_km*I_km. В нагрузку же будет передаваться мощность сигнала, Р_н = Р_вых n_тр, где n_тр — КПД выходного трансформатора.

При практических расчетах нагрузку каскада усиления мощности полагают чисто активной Поэтому оптимальная нагрузка R_к=U_kni//I_Km, в которую транзистор отдает максимальную мощность, может быть определена с учетом лишь активных сопротивлений обмоток выходного трансформатора и нагрузки Rk = R_н+ г₁+г₂, где г₁ — активное сопротивление первичной обмотки выходного трансформатора; R_н — сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке трансформатора; т₂ — активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, приведенное к первичной.

При малых значениях Eп, U_Kmin и I_Kmin КПД каскада приближается к 50 % Однако чрезмерное уменьшение U_kmin и I_kmin приводит к резкому увеличению нелинейных искажений усиливаемого сигнала. Поэтому трансформаторные однотактные усилители мощности имеют КПД порядка 25 — 40 %.

Для расчета параметров входной цепи каскада на входную характеристику, снятую при U_к ¹0, переносятся крайние точки А и В нагрузочной прямой по переменному току и определяются размах входного тока и напряжения (рис. 4.3,6), а затем рассчитываются значения входного сопротивления R_k и мощностьвходного сигнала.

Мощность P_к, рассеиваемая коллектором транзистора (мощность потерь). В предельном случае КПД каскада равен 50% и тогда Р_к =P_ВЫХ.

С целью уменьшения насыщения трансформатора его сердечник в однотактных усилителях мощности выполняется с воздушным зазором.

10. Двухтактный бестрансформаторный и трансформаторный выходные каскады

Двухтактный усилитель мощности состоит из двух симметричных плеч, работающих на общую нагрузку Транзисторы в каждом плече подбираются с максимально близкими характеристиками и работают в одинаковом режиме Единственным отличием в работе плеч усилителя является противофазность переменных составляющих выходных напряжений и токов

Трансформаторный двухтактный каскадврежиме В

Для получения большей мощности (более 5 Вт) с высоким КПД применяют двухтактные каскады, работающие в режиме В Принципиальная схема каскада с включением транзисторов по схеме с общим эмиттером представлена на рис 4.6.

В режиме покоя на базы транзисторов обоих плеч подается смещение, близкое к нулю (U_об = 0.1 - 0.3 В). При этом рабочая точка О располагается несколько выше выходной характеристики, снятой при I_Б = 0, а в цепи коллектора каждого транзистора протекает некоторый ток I_kmin= (0,05-0,15)I_kmax (pис. 47) В этом случае не существует чистого режима В, но в связи с тем, что исключается влияние начального нелинейного участка статической входной характеристики транзистора, наблюдается значительное уменьшение нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Схема может работать и без смещения, т. е. в чистом режиме В, при R₂=О В этом случае рабочая точка 0 (рис 4.7) находится на пересечении статической выходной характеристики, снятой при i_b = О, с линией загрузки по переменному току и в выходной цепи протекает неуправляемый начальный ток коллектора При этом хотя и наблюдается некоторое увеличение КПД, происходит резкое возрастание нелинейных искажений усиливаемого сигнала за счет нелинейности начального участка входной статической характеристики транзистора.

Так как оба транзистора работают в режиме, близком к режиму В, т е с отсечкой, то следовательно, при подаче на вход двухтактного каскада гармонического сигнала транзисторы будут открываться поочередно, и через первичную обмотку выходного трансформатора TV2 будут протекать в течение каждого полупериода токи i_k|либо i_К2, сдвинутые по фазе на 180°. В общем случае при разложении токов и в ряд Фурье можно записать:

где I_ок — постоянная составляющая тока, I_1m, I_2m, I_3m,… — амплитудные значения 1-й, 2-й, 3-й и т. д гармоник Поскольку токи плеч создают противоположно направленные магнитные потоки, то суммарный намагничивающий ток будет равен разности токов плеч

Из последнего выражения следует, что амплитуда первой гармоники усиленного сигнала равна удвоенному значению амплитуд коллекторных токов отдельных плеч, что позволяет получить удвоенное значение полезной мощности по сравнению с однотактным каскадом.

Кроме того, в намагничивающем токе отсутствует постоянная составляющая, что исключает подмагничивание трансформатора и, следовательно, позволяет уменьшить его габариты и массу по сравнению с трансформатором однотактной схемы. Еще одним достоинством двухтактной схемы в режиме В является то, что из состава намагничивающего тока, а следовательно, и выходного сигнала выпадают все четные гармоники. Это уменьшает нелинейные искажения усиливаемого сигнала, так как коэффициент гармоник в соответствии с (2.2) будет определяться как:

Потребляемый от источника питания ток I₀ равен сумме токов

и содержит, кроме удвоенного среднего значения тока, лишь четные гармоники, амплитуды которых малы. Поэтому ток, протекающий и общих цепях обоих плеч, близок по форме к постоянному.

Следует отметить, что все преимущества двухтактного усилителя мощности могут быть реализованы при достаточно высокой степени электрической симметрии плеч.

Расчет энергетических показателей двухтактного усилителя мощности в режиме В проводят так же, как и для двухтактной схемы, работающей в режиме А, для одного плеча. Порядок построения линии нагрузки плеча по переменному току (рис. 4.7) такой же, как и однотактного трансформаторною каскада усиления мощности.

Максимальная амплитуда переменной составляющей напряжения на коллекторе транзистора

Максимальная амплитуда тока коллектора I_km = I_k_max - I_k_min. Поскольку намагничивающий ток, как следует из (4.6), содержит удвоенную первую гармонику I_km = 2I_1m, то мощность, отдаваемая транзисторами плеч двухтактного каскада в первичную обмотку выходного трансформатора Т2:

т. с. пропорциональна площади треугольника AOD. Мощность P_н, отдаваемая в нагрузку P_н = Р_вых • η_тр (4.9)

Мощность, потребляемая обоими плечами от источника питания, Р_о = 2Е_к(I_ок + I_k_min) (4.10)

Постоянная составляющая I_Ok из разложения в ряд Фурье полусинусоидального импульса коллекторного тока с амплитудой:

Коэффициент полезного действия двухтактного каскада усиления мощности в режиме В с учетом (4.8), (4.10) и (4.11)

Если I_km >> πI_{k min}, то

— коэффициент использования коллекторного питания. При полном использовании коллекторного питания (ξ = 1) КПД приближается к величине:

Практически в двухтактных усилителях мощности в режиме В невозможно исключить потери в выходном трансформаторе, из-за неидеальности усилительных элементов невозможно обеспечить полное использование источника коллекторного питания. Поэтому эти каскады работают с КПД порядка 70%.

Мощность, рассеиваемая коллектором одного транзистора (мощность потерь):

Если принять

Таким образом, выбранный для конкретной схемы усилителя мощности транзистор должен обладать Р_к ≥ Р_вых /5. С учетом возможности местных перегревов транзисторов на практике при выборе усилительных элементов для двухтактного каскада усиления мощности в режиме В следует ориентировочно исходить из соотношения Р_к ≥ Р_вых /3 или в соответствии с (4.9): Р_к ≥ Р_вых /3η_тр.

Бестрансформаторные двухтактные каскады усиления мощности в настоящее время получили самое широкое распространение. Непосредственное включение нагрузки в выходную цепь позволяет устранить вносимые выходным трансформатором частотные, переходные и нелинейные искажения, а также избавиться от потерь мощности в трансформаторе. В схемах бестрансформаторных двухтактных усилителей мощности можно использовать в плечах транзисторы с проводимостью одного или разного типа.

На рис. 4.8,а,б приведены варианты схем бестрансформаторных усилителей мощности (без цепей смещения), в которых применены транзисторы с проводимостью одного типа.

Для нормальной работы каскадов необходимо подавать на их входы два равных напряжения U_BX1 и U_ВХ2г находящихся в противофазе.

Поэтому на входе каждой из схем должен быть включен специальный фазоинверсный усилительный каскад. В схеме рис. 4.8,а необходимо применить двуполярный источник питания (два одинаковых источника коллекторного питания или один источник со средней точкой). В этой схеме переменные составляющие выходные токи плеч протекают через нагрузку в противоположных направлениях, формируя на ней разнополярное выходное напряжение. Постоянная составляющая выходного напряжения при отсутствии входного сигнала равна нулю, так как при полной симметрии схемы постоянные токи через нагрузку равны и противоположны по знаку.

Схема рис. 4.8,б позволяет обойтись одним источником питания. Постоянная составляющая выходного тока в этой схеме через нагрузку также не протекает из-за разделительного конденсатора. Когда при подаче U_ВХ1 и U_ВХ2 верхний транзистор VT1 открывается, а нижний VT2 запирается, проходящий через VT1 и R_н ток заряжает конденсатор С. При изменении полярности U_ВХ1 и U_BX2 происходит запирание VT1 и отпирание VT2 и ранее заряженный конденсатор С разряжается через VТ2 и R, являясь своеобразным источником питания для нижнего плеча схемы. Емкость этого конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы на самой нижней частоте f_Н усиливаемого сигнала он не разряжался полностью.

Постоянная времени разряда конденсатора в самом худшем случае (при полностью открытом транзисторе VT2) t=R_H*C. Эта величина должна быть гораздо больше половины периода входного сигнала t_разр= Т/2 = 1 //(2-f_н) «t. Отсюда легко определить емкость разделительного конденсатора С» 1 /(2f_нR_H). Величина емкости этого конденсатора обычно довольно большая (сотни-тысячи мкФ), поэтому здесь используют электролитический полярный конденсатор, полярность включения которого показана на рис. 4.8,6.

Если в плечи бестрансформаторного двухтактного каскада включить транзисторы с различным характером проводимости, то входные цепи плеч можно объединить (рис. 4.8,в,г) и при подаче на вход напряжения U_вх схема будет работать как двухтактная, т. е. сигнал, открывающий транзистор типа p-n-р. будет соответственно запирать транзистор типа n-p-п и наоборот. Принцип действия этих схем аналогичен принципу действия схем рис. 4.8,а.б.

Рассмотренные простейшие схемы двухтактных бестрансформаторных усилителей мощности могут работать как в режиме В. так н в режиме АВ.

Зная напряжение смещения U_m =I_c*R_H. Зная необходимый ток генератора тока Ic, можно определить по выходным или переходным характеристикам необходимое смещение U_ЗИ и затем рассчитать требуемое значение сопротивления R_и.

Следует отметить, что источники тока на полевых транзисторах имеют по сравнению с генераторами тока на биполярных транзисторах или операционных усилителях существенно худшие параметры (прежде всего низкую точность формирования выходного тока и стабильность). Поэтому их применение оправдано в тех случаях, когда эти величины не являются критическими и предопределяющим фактором является простота реализации устройства. Кроме того, источники тока на полевых транзисторах могут быть включены в разрыв любой цепи и не требуют, по сравнению с другими источниками тока, "привязки" к потенциалу общего провода или источников питания

11. Усилитель постоянного тока прямого преобразования.

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются усилители, работающие в диапазоне частот от f_н = 0 до некоторой частоты. Другими словами, они могут усиливать постоянные и медленно меняющиеся напряжения. АЧХ УПТ приведена на рисунке 1.

УПТ находят самое широкое применение в системах автоматической регулировки, управления, измерительных приборах для усиления сигналов датчиков и преобразователей неэлектрических величин. На основе УПТ выполняются схемы интегральных операционных усилителей, которые находят широкое применение в различных электронных устройствах. По принципу действия УПТ подразделяются на: УПТ прямого усиления, УПТ с преобразованием. Схема УПТ прямого усиления подана на рисунке 2.

Усилители постоянного тока должны обеспечивать усиление как переменной, так и постоянной составляющих входного сигнала, поэтому для межкаскадной связи здесь пригодны элементы, сопротивления которых в широком диапазоне частот от f_н = 0 и выше остаются практически неизменными.

В качестве таких элементов могут быть использованы резисторы, стабилитроны, диоды. Применяется также непосредственное присоединение выхода предыдущего каскада ко входу последующего. Однако при любом таком способе соединения каскадов видно, что высокое выходное постоянное напряжение предыдущего каскада непосредственно подается на базу последующего. Это не только может привести к изменению его смещения, но и, возможно, к выходу из строя транзистора. Для того чтобы обеспечить необходимое для нормальной работы транзистора VT2 напряжение смещения U_б2, нужно скомпенсировать часть U_к1. в приведённой схеме это осуществляется за счёт падения напряжения на резисторе R_Э2 при протекании через него тока I_Э2:U_б2 = (U_к1 + U_э1) – U_э2. Сопротивление резисторов в цепи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 выбираются из условий:

где I_к1, I_к2 - коллекторные токи покоя транзисторов VT1 и VT2; I_б2- ток покоя базы транзистора VT2; I_н - ток нагрузки усилителя. Очевидно, что напряжение коллектора каждого последующего каскада растёт. Поэтому для увеличения компенсирующего напряжения U_Э нужно увеличивать сопротивление R_Э в цепи эмиттера транзистора последующего каскада. Но это увеличивает потери напряжения источника питания и уменьшает коэффициент усиления каскада, т.к. растёт глубина отрицательной обратной связи. Этот факт ограничивает достижимый коэффициент усиления всего усилителя.

Повысить потенциал эмиттера последующего каскада без увеличения сопротивления R_Э можно пропустив через него дополнительный ток от источника Е_К при помощи вспомогательного сопротивления R₀, либо включив в эмиттерную цепь последующего каскада стабилитрон VD.

В первом случае компенсирующее напряжение U_Э2 определится как U_э2 = (I_э1 + I_э) – R_э2. Во втором случае U_Э2 равно U_э2 = U_R + U_ст = I_э2R_э2 + U_ст.

Отсутствие в схемах УПТ с непосредственными связями разделительных конденсаторов и трансформаторов приводит к прохождению через усилитель от входа к выходу одновременно с полезным сигналом сигнала помехи, вызванного изменением параметров усилительных элементов и деталей схемы вследствие их старения и колебания температуры окружающей среды, а также изменения питающих напряжений.

Изменение режима работы любого усилительного элемента в схеме, независимо от причины его вызвавшей, поступает на вход следующего каскада, усиливается им и, в конце концов, вызывает значительные изменения выходного сигнала. В результате, на выходе сбалансированного УПТ при закороченном входе появляется выходное напряжение, которое можно представить в виде монотонно возрастающей составляющей и беспорядочных колебаний относительно этой составляющей (рис. 7.4). Это явление получило название дрейфа нуля.

Для оценки дрейфа нуля пользуются понятием дрейфа,

приведенного ко входу e_др = ∆U_вых/К, где ∆U_вых — отклонение выходного напряжения при закороченном входе УПТ за промежуток времени Δt; К — коэффициент усиления схемы по напряжению.

Дрейф нуля в УПТ является вредным явлением и при построении практических схем принимаются меры для борьбы с ним, такие, как стабилизация напряжения источников питания, температурная стабилизация режима работы, экранирование входных цепей чувствительных УПТ, либо построение специальных схем, которые обладают чувствительностью к дестабилизирующим факторам.

12. Дифференциальный усилитель постоянного тока. Принципы построения.

Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов. Одна из наиболее распространенных схем дифференциальных усилительных каскадов представлена на рис. 2.33, а.

Дифференциальный усилительный каскад выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1, и R_к2, а два других — транзисторами Т₁ и T₂. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т. е- с диагонали моста) или с коллекторов.

На транзисторе T₃ собрана схема источника стабильного тока I_э, определяющего сумму эмиттерных токов I_э1 и I_Э2транзисторов T₁ T₂. В схему источника стабильного тока входят резисторы R1, R₂, R₃ и источник питания E_К2. Транзистор T₄ в диодном включении предназначен для повышения стабильности тока I_э в зависимости от изменения температуры (элемент температурной компенсации). Дифференциальный каскад допускает подачу входных сигналов от двух источников (на оба входа U_ВХ1, U_ВХ2) или от одного источника входного сигнала (рис. 2.33). В последнем случае входной сигнал подается на базу одного из транзисторов или между обеими базами. Входы U_ВХ1 и U_ВХ2 при схемах соединения по рис, 2.33 называются дифференциальными.

Питание каскада производится от источников + E_K1 и — E_K2 с равными напряжениями. Ввиду последовательного соединения этих источников суммарное напряжение питания схемы Е_п = Е_к1 – Е_к2. С помощью напряжения питания Е_К2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов T1, T₂ относительно общей точки схемы («земли»). Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных компенсирующих напряжений.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒