Цуркин А.П., Мосолов Д.Н. Учебное пособие по курсу электротехники и электроники
Подождите немного. Документ загружается.
111
Рис. 13-7 Принцип работы усилительного каскада
Пусть на выход подаётся синусоидальный сигнал.
tUU
mвх
sin
(13.8)
Если на вход подаётся положительный потенциал, то транзистор закрыт (отсечка), тогда
kквых
EUU
, т.к.
0
k
I
(см. уравнение 7.) Если на базу подаётся отрицательный
потенциал (участок ав), то транзистор открыт (насыщение), тогда
вых
U
повторяет
вх
U
, но с
большей амплитудой и в противофазе
0
kkkвых
RIEU
(13.9)
Итак, при подаче на вход усилительного каскада небольшого переменного напряжения
вх
U
на выходе получается усиленный источником питания
k
E
сигнал той же формы. Однако
амплитуда
вых
U
не может превысить
k
E
. Таким образом, имея транзистор можно при
помощи маломощного источника переменного входного напряжения
вх
U
, управлять энергией
источника питания (
k
E
). Если к усилительному каскаду добавить Rб
1
, а так же
термостабилизирующую цепочку Rэ и Сэ, то получают полную схему одиночного
усилительного каскада. (рис. 13-8). Также усилители имеют частотный спектр сигнала от
десятков Гц до десятков кГц и называются усилителями низкой частоты (УНЧ).
112
Рис. 13-8. Полная схема одиночного усилительного каскада с общим эмиттером (УНЧ).
1)
1Б
R
и
2Б
R
- резисторы, которые образуют делители напряжения питания.
Прежде чем подать на вход схемы переменное входное напряжение, необходимо
обеспечить определённый режим работы транзистора по постоянному току. Эммитерный p-n
– переход смещен в прямом направлнии (
)1/1,0 ВU
бэ
, а коллекторный – в обратном
)12/10( ВU
кэ
. Напряжение от
k
E
, падающее на
2Д
R
, создает
бэ
U
, определяющее рабочую
точку А.
Обычно
бд
II )5/2(
. В этом случае при изменении
б
I
напряжение смещения на базе
остается постоянным, что обеспечивает активный режим транзистора.
Сопротивление делителя:
1
1
Д
бэk
Д
I
UE
R
;
2
2
Д
бэ
Д
I
U
R
(13.10)
2)
k
R
- резистор нагрузки, обемпечивающий режим работы транзистора. На
x
R
выделяется мощность усиливаемого сигнала.
3)
1
C
и
2
С
- разделительные конденсаторы.
1
C
не дает возможности постоянному току
протекать через источник входного сигнала.
2
С
- на пропускает постоянную составляющую
тока в следующий усилителный каскад.
4)
ээ
СR ,
- цепочка предназначена для термостабилизации режима работы
усилительного каскада.
Усилитель низкой частоты с двумя каскадами усиления (УНЧ). На рис. 13-9
представлена схема УНЧ, которая состоит из двух усилительных каскадов с электроёмкостной
связью и применяется в уселителях переменного напряжения. Разделительные конденсаторы
С
1
и С
2
служат для того, чтобы на вход следующего каскада подавалась только переменная,
составляющая коллекторного напряжения, предыдущего каскада. Остальные элементы имеют
такое же назначение как и элементы полной схемы усилительного каскада (рис. 2-8).
113
Рис. 13-9. Схема усилителя низкой частоты с двумя каскадами.
Схема замещения усилительного каскада. На рис. 13-10 представлена эквивалентная
схема усилительного каскада с ОЭ.
Рис. 13-10. Схема замещения усилительного каскада с ОЭ. (А – управляющий источник
тока базы, Rн- эквивалентное сопротивление нагрузки).
В этой схеме
21
21
ББ
ББ
б
RR
RR
R
- это эквивалентное сопротивление усилителя.
Сопротивление первого каскада Rн, которое равно входному сопротивлению второго каскада
легко можно рассчитать пользуясь рис.13-20.
Динамическая характеристика каскада усилителя и режимы его работы. Рабочая
точка. Построение выходной характеристика позволяет определить ток, протекающий по цепи
и, следовательно, падение напряжений на каждом участке цепи.
Для построения выходной характеристики (нагрузочной линии) (рис. 13-11а) на
семействе выходных статических характеристик можно воспользоваться методом холостого
хода и короткого замыкания. При коротком замыкании транзистора ток в цепи нагрузки
будет равен
R
к
E
кз
I
(точка
на оси ординат), а при холостом ходе ток в цели будет
равен 0, на резисторе R не будет падения напряжения и напряжение на коллекторе
транзистора будет равно напряжению питания
k
E
кз
U
(точка
на оси абсцисс).
114
Прямая, соединяющие точки
и
и будет динамической характеристикой (или
нагрузочной линией). Рабочая точка А – это точка пересечения нагрузочной прямой с
выбранным значением Iб.
Для определения входного напряжения (Uбэ) строят входную динамическую
характеристику на семейство входных статистических характеристик (рис. 13-11а).
В состоянии покоя (Uвх=0), в цепи БЭ протекает ток покоя Iбо, а напряжение Uбэ=Uбо.
Это электрическое состояние входной цепи каскада можно изобразить в виде точки С на
входной динамической характеристике и ей соответствует выходной динамической
характеристике также точка С (Uко, Iко). Также точка называется рабочей точкой. Если Uвх
превышает величину, составляющую линейному участку 1,2 входной динамической
характеристики, то возникает искажение форм входного сигнала.
РИС.13-11.Режимы работы усилительного каскада.
Пересечение, полученной нагрузочной линии и вольтамперной характеристики
транзистора по заданным базовым током Iбр, определяемым величиной резистора в цепи базы
Rб , задает начальное положение рабочей точки С, координаты которой характеризуют ток
покоя Iкр, протекающий по цепи и падение напряжений на каждом из участков цепи (на
активном сопротивлении U
Rk
и на транзисторе Uкэп.
При появлении на входе усилительного каскада сигнала переменного напряжения Uвх,
постоянный ток в цепи базы начнет алгебраически суммироваться с изменяющимся током входного
сигнала. Рабочая точка С при этом начнет перемещаться по нагрузочной линии в пределах,
115
определяемых амплитудой тока входного импульса. Перемещение рабочей точки С будет вызывать
изменение коллекторного тока Iк и коллекторного напряжения Uкэ. Если перемещение рабочей
точки не достигнет пределов, отмеченных цифрами 1 и 2 на нагрузочной линии, то усиленный
ток в выходной цепи транзистора будет протекать через резистор Rk в течение всего периода
изменения входного сигнала. Транзистор при этом будет работать в активной области, без
отсечки или насыщения коллекторного тока. Такой режим работы транзистора называется
режимом усиления малого сигнала или режимом усиления класса «А» (иногда режим
усиления называют классом).
Если же рабочая точка в результате соответствующего выбора ее начального положения
или слишком большой амплитуды входного сигнала окажется в области насыщения, то на оба
перехода транзистора попадет смещение в прямом направлении, оба р–n перехода
транзистора полностью откроются и транзистор почти целиком будет пропускать
коллекторный ток. Причем дальнейшее увеличение амплитуды входного сигнала уже не будет
вызывать дальнейшего увеличения коллекторного тока. При положении рабочей точки в
области отсечки оба р–n перехода транзистора закроются. Он скажется в запертом состоянии
и практически не будет пропускать коллекторный ток.
Рис.13-11а. Работа каскада в режиме усиления класса «А»
Таким образом, в зависимости от начального положения рабочей точки и амплитуды
входного сигнала, ток в нагрузке может протекать либо в течение всего периода изменения
входного сигнала, либо в течение какой–то определенной части этого периода.
В зависимости от этого различают три основных режима усиления классов: «А», «В»,
«С», «АВ», «Д».
Количественно режимы усиления характеризуются величиной угла отсечки . Под углом
отсечки понимают половину той части периода, в течение которой протекает ток через
выходную цепь усилительного элемента.
Очевидно, что для режима усиления класса «А», рассмотренного выше, угол отсечки
составляет 180°. В режиме усиления класса «В» угол отсечки составляет – 90°, в режиме
усиления класса «С» угол отсечки меньше 90°.
Режим усиления класса «А» обеспечивает минимальные искажения усиливаемого
сигнала, однако он неэкономичен по расходованию энергии источников питания, поскольку в
116
этом режиме постоянная составляющая тока все время проходит через выходную цепь
усилительного каскада. Поэтому транзисторные схемы, работающие в режиме усиления
класса«А», применяются в основном каскадах предварительного усиления.
В каскадах усиления мощности, в тех случаях, когда в нагрузку требуют отдать
наибольшую мощность усиливаемого сигнала при минимальном расходовании энергии
источников питания, применяется режим усиления класса«В», обладающий высоким
коэффициентом полезного действия (до 70–75%).
Поскольку усилительные каскады, работающие в режиме усиления класса «В», пропускают
только одну полуволну усиливаемого напряжения, то в выходных каскадах усилителей применяют
двухтактные симметричные каскады, позволяющие получить высокий коэффициент полезного
действия при допустимых нелинейных искажениях. (рис. 13-12).
Рис. 13-12. Работа усилительного каскада в режиме усиления класса «В».
Режим класса «С» применяют в мощных усилителях. Этот режим характерен тем, что ток
коллектора протекает в течении промежутка времени, которое меньше периода входного сигнала, а
ток покоя не наблюдается (
0
90
) рис. 13-13.
Рис. 13-13. Работа каскада в режиме усиления класса «С».
117
Стабилизация положения рабочей точки. Основные свойства усилительного каскада
определяются положением начала рабочей точки, которые задаёт ток покоя выходной цепи
Iок. Поэтому при изменении температуры, замене активного элемента и т.д. положение
рабочей точки не должно изменяться.
Эмиттерная стабилизация. Такая стабилизация осуществляется ООС по постоянному
току. Напряжение ОС снимается с резистора Rэ, который включен в цепь эмиттера. С
изменением температуры изменяется ток коллектора Iок и ток покоя эмиттера Iоэ и, например,
они увеличиваются. Рабочая точка должна подняться вверх, но этого не произойдёт, т.к.
напряжение смещения Uоб уменьшится и при этом уменьшатся и токи транзистора, а рабочая
точка останется на месте.
Коллекторная стабилизация. Такая стабилизация осуществляется ООС по
напряжению. Если напряжение подать через Rб, который находится между коллектором и
базой, то Uоб очень мало и им можно пренебречь, а при увиличении, например, температуры,
и следовательно увеличению Iок, напряжение на резисторе (Rб*Iоб) уменьшится, т.е.
уменьшится Iоб, а это в свою очередь не допустит увеличение тока Iок.
Обратная связь в усилителях. Обратной связью в усилителях (ОС) называют передачу
электрического сигнала с выхода усилителя на его вход (рис. 13-14).
Коэффициент передачи цепи обратной связи:
вых
oc
U
U
, (13.11)
который показывает, какая часть выходного сигнала передаётся на вход усилителя.
Рис. 13-14. Обратная связь в усилителях.
Коэффициент усиления по напряжению при отсутствии обратной связи:
вх
вых
U
U
K
………………………………………………………….(13.12)
Различают в усилителях положительную и отрицательную связь.
ОС называется положительной, если Uос совпадает по фазе с Uвх и суммируется с ним.
Коэффициент усиления усилителя
K
K
K
oc
1
……………………….(13.13)
При ПОС коэффициент усиления увеличивается, но увеличиваются все виды искажений.
ОС называется отрицательной, если Uос и Uвх находятся в противофазе и взаимно
вычитаются.
118
K
K
K
oc
1
……………………………(13.14)
При ОС коэффициент усиления уменьшается и уменьшает все виды искажений,
увеличивает Rbx и стабилизирует работу схемы.
В зависимости от присоединение ОС к входу усилителя различают: ОС
последовательную по напряжению (рис. 13-15А), последовательную по току (рис. 13-15В),
параллельную по напряжению (рис. 13-15Б), параллельную по току (рис13-15Г) и
последовательную комбинированную (рис.13-15д).
119
Рис. 13-15 . Обратная связь в усилителях.
Трансформаторные усилители мощности. Усилители мощности используются для
передачи в нагрузку максимальной мощности и в этой связи следует иметь в виду, что важным
параметром схемы является коээициент полезного действия (КПД). КПД таких устройств
должен быть высоким, что достигается при определённом соотношении между
сопротивлением нагрузки и выходным сопротивлением. Эти соотношения достигаются при
включении в схему усилителя трансформаторов и в конечном итоге усиление мощности
зависит от коэффициента трансформации выходного трансформатора. Трансформаторные
усилители мощности работают в режиме А,В и АВ.
Однотактный трансформаторный усилитель мощности. Однотактные усилители
мощности применяются для относительно малых выходных мощностях (4-5 Вт). Примером
усилителя мощности является однотактный, который включается по схеме с ОЭ. (рис. 13-16).
рис. 13-16. Однотактный трансформаторный усилитель мощности.
Однотактные усилители мощности работают в режиме усиления «А», который
характеризуется тем, что через транзистор ток проходит в течение всего периода.
Максимальное мгновенное коллекторное напряжение Uкm (рис.13-11)может значительно
превышать (почти в 2 раза) Ek за счёт ЭДС самоиндукции в обмотках трансформатора. Тогда
на первичную обмотку ТР
2
будет подаваться мощность равна:
Р=0,5 Ukm/Ikm ……………………….(13.15)
Мощность на нагрузке составляет
Pн= P*КПД, ………………………..(13.16)
где КПД трансформатора составляющая 0,75÷0,95.
Мощность, которая потребляется усилителем от источника питания
120
Рп=EкIкн ………………………..(13.16а)
Отношения Р к Ру для реальных схем составляет 0,3÷0,35.
Тогда КПД усилителя есть отношение Pн к Pп.
Как показывают расчёты теоретический КПД усилителя равен 50%, а реальный КПД
30%÷35%.
Двухтактные трансформаторные усилители мощности. Двухтактный трансформаторный
усилитель мощности может работать в схемах с ОЭ и с ОБ и в режимах классов А, В, АВ.
рассмотрим схему двухтактного усилителя мощности в схеме с ОЭ и в режиме класса В
(рис.13-17).
Рис. 13-17. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности.
Если на базу подаётся отрицательная полуволна входного сигнала, то транзистор
открыт, а при подаче положительной полуволны – транзистор заперт и таким образом в
режиме класса В через транзистор проходит ток только в течение полупериода.
Электрические токи в первичной обмотке выходного трансформатора за оба полупериода
будут направлены встречно и поэтому во второй обмотке ток будет синусоидальным
заданной увеличенной амплитуды. Применение класса В позволяет увеличить КПД схемы до
80% за счёт уменьшения потерь мощности в транзисторах. Нелинейные искажения могут
быть уменьшены за счёт создания незначительного смещения входной цепи в цепи базы.
Следует заметить, что для снижения нелинейных искажений следует применять для
усилителей режим класса АВ, но КПД при этом снижается.
Бестрансформаторный усилитель мощности. Схема двухтактного усилителя
мощности на транзисторах p-n-p и n-p-n показана на рис. 13-18.