Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

8. ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

8.6. Каскад с коррекцией в области больших времен



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-141-

pнд ф ф ф ф

ф ф к к p нд

CR R R CR

CR RRCR



=+−⋅





отсюда

ф к p нд

CR CR=

Для спада вершины выражение имеет вид

ки

кор

ф p нд

R CR



∆= ⋅





Тогда выигрыш по спаду вершины по сравнению с простым реостатным

каскадом:

рф

кор к р

∆

= = ⋅

∆∆

Отсюда видно, что выигрыш существенно зависит от значения сопро-

тивления фильтра. Значительно увеличить выигрыш можно, используя дина-

мическую нагрузку.

1. При анализе и проектировании импульсных усилителей основным

методом является временной метод, основанный на изучении переходной ха-

рактеристики.

2. Различным корням характеристического уравнения

() 0Np=

соот-

ветствует монотонный или колебательный переходный процесс. Наимень-

шая длительность фронта свойственна колебательному переходному процес-

су (корни комплексно-сопряженные). Однако в этом случае на переходной

характеристике имеется выброс. Наибольшее

уст

свойственно случаю дейст-

вительных различных корней. Случай действительных кратных корней (кри-

тический режим) занимает промежуточное положение по

уст

3. В случае многокаскадного усилителя важным параметром является

критический выброс, т. е. такой, который не изменяется с ростом числа кас-

кадов. При этом анализ таких усилителей можно проводить на основе инте-

грала Дюамеля.

4. Добавление к реостатному каскаду элементов коррекции позволяет

перейти от монотонного переходного процесса к колебательному и критиче-

скому. Это позволяет искать оптимальную переходную характеристику в об-

Выводы



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-142-

ласти трех вариантов значений корней характеристического уравнения. Вы-

игрыш по времени установления при использовании корректированных кас-

кадов при критическом выбросе (колебательная переходная характеристика)

составляет примерно 1,7.

5. В области больших времен коррекция спада вершины достигается

выбором элементов фильтра в коллекторной цепи

. Оптимальной пе-

реходной характеристикой считается максимально-плоская. Выигрыш в ве-

личине выброса определяется соотношением

; чем больше отношение,

тем меньше выброс в корректированном каскаде.



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-143-

Одной из особенностей оконечных каскадов является высокий уровень

выходного сигнала. Для активной и активно-емкостной нагрузки этот уро-

вень выражается номинальной выходной мощностью. В этом случае речь

ведут об усилителе мощности. При работе на реактивную нагрузку (чаще

всего это емкость) – об усилителе напряжения.

Учет высокого уровня выходного сигнала – одно из требований дости-

жение высокого КПД при заданном уровне нелинейных искажений. При этом

коэффициент усиления оконечных каскадов может быть меньше, чем у про-

межуточных каскадов, и для них важны: выбор режима усилительного эле-

мента, напряжения питания, сопротивлений нагрузки. Как правило, графиче-

ские методы дают в этом случае большую точность по сравнению с аналити-

ческим, поскольку линейные модели транзисторов перестают работать, а па-

раметры транзисторов зависят от тока. Оконечные каскады могут строится

по одно- и двухтактной схемам (содержат четное число усилительных эле-

ментов). При этом в зависимости от элемента связи с нагрузкой различают

трансформаторные, дроссельные и резистивные каскады.

Функциональная схема выходной цепи представлена на рис. 9.1

. В этой

схеме элементом связи является трансформатор. Поскольку в большинстве

случаев нагрузка оконечного каскада не совпадает с оптимальной, то

форматор позволяет согласовывать выходное сопротивление усилительного

элемента и сопротивления нагрузки. Это осуществляется выбором

циента трансформации:

2н

1вых. каскада

= =

Учитывая, что сопротивление

вичной обмотки постоянному току очень

незначительно, можно считать напряжение

на коллекторе равным напряжению пита-

ния, что приводит к росту КПД каскада.

Eг

N1 N2

R'н

VT1

Рис. 9.1. Функциональная

схема трансформаторного

каскада

VT1

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.2. Однотактный трансформаторный каскад



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-144-

Рассмотрим работу

да, используя семейство выход-

ных статических характеристик

и нагрузочные прямые.

Для сопротивления нагруз-

ки по переменному току можно

записать

12 í

rr R

= +



где

– сопротивления пер-

вичной и вторичной обмоток со-

ответственно.

В каскаде с трансформа-

торным выходом нагрузочная

прямая по постоянному току

проходит гораздо круче из-за то-

го, что сопротивление постоян-

ному току гораздо меньше, чем сопротивление переменному. Из графиков

(рис. 9.2

) видно, что амплитуда коллекторного тока

всегда меньше тока

покоя

, а амплитуда

меньше напряжения питания (можно считать

0ï

UE≅

). Отсюда следует, что коэффициенты использования напряжения и

тока всегда меньше единицы:

кк

п0

ξ 1; ξ 1.

=<=<

Мощность в цепи нагрузки определяется выражением

н кк

P UI=⋅⋅

Потребляемая от источника мощность определяется выражением

0п0

constP EI≅ ⋅=

КПД схемы определяется как отношение

í0

/PP

0п0

1ξξ

η 0,5,

P EI

⋅

==⋅=<

⋅

т. е. КПД схемы всегда меньше 50 %.

Точку покоя трансформаторного каскада можно выбрать из соотношений:

Рис. 9.2. Графическое представление

работы усилительного каскада

в режиме «А»

к max

к min

кэ min

кэ max

кэ

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.2. Однотактный трансформаторный каскад



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-145-

доп

к max

н0

;

1+ξ

= =

Коэффициент усиления каскада определяется выражением:

б'б б'э

β R

nr r

= ⋅

В заключение отметим, что из-за особенностей трансформатора верх-

няя и нижняя граничные частоты жестко связаны между собой, в отличие от

реостатного каскада, поэтому, изменяя одну частоту, обязательно изменяют

другую. АЧХ трансформаторного каскада хуже, чем резистивного.

Коэффициент усиления по току ЭП больше единицы,

β,

K = ⋅

поэтому

ЭП является усилителем мощности.

Рассмотрим основные энергетические соотношения данной схемы. Ес-

ли не считать, что в выходном сигнале отсутствует постоянная составляю-

щая, то максимальная амплитуда

âûõ

определяется выражением:

вых max п

нэ

= ⋅

Полезная мощность в нагрузке в этом случае равна:

вых max п н

н max

н эн

2 2( )

U ER

R RR

⋅

=⋅=

⋅+

А максимальное значение мощности в нагрузке получится при выпол-

нении условия:

нэ

=→=

тогда

2 22

пэ пэ п

н max

ээ э э

2( ) 8 8

ER ER E

RR R R

⋅⋅

= = =

⋅+ ⋅ ⋅

н max

⋅

В общем случае при гармоническом выходном сигнале мощность в на-

грузке определяется соотношением:

= ⋅

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.3. Эмиттерный повторитель как усилитель мощности



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-146-

Мощность, рассеиваемая на транзисторе,

222

энэ

EUU

RRR

= −⋅ −⋅

Мощность максимальна при отсутствии входного сигнала

U =

На эмиттерном сопротивлении рассеивается мощность:

ýý

= +⋅

Суммарная потребляемая мощность от источника питания определяется

выражением:

2222

пп

нт

э э н э нэ

1 1 1 11

22 2

E U UE

PP RP U

R R R R RR



= + + = +⋅ +⋅ + −⋅ +





2 E

⋅

Потребляемая мощность от источника питания не зависит от амплиту-

ды входного сигнала.

КПД данной схемы:

нэ

нп

P UR

P RE

==⋅⋅

⋅

Если использовать выражение для

н max

⋅

, то получим:

пэ

эп

η 6, 25 %

8 2 16

=⋅==

⋅⋅

– это максимально возможный КПД.

Таким образом, для всех схем, работающих в классе «А», характерным

является очень низкий КПД, даже в режиме молчания, когда входной сигнал

отсутствует.

Двухтактный усилительный каскад содержит два усилительных эле-

мента, работающих поочередно со сдвигом во времени на половину периода

(рис. 9.3). Основным достоинством двухтактной схемы является возможность

использования экономичного режима «B». Если двухтактный каскад реали-

зован на транзисторах одинакового типа проводимости, то его возбуждение

осуществляется фазоинверсными каскадами.

Простейший вариант схемы выходного каскада – транзисторный каскад

с заземленной средней точкой трансформатора.

Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой (рис. 9.4

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4. Двухтактные усилительные каскады



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-147-

В данном варианте две одинаковые внешние нагрузки подключают к

эмиттеру и коллектору:

кэ

н к доп н э доп

|| ; ||R RR R RR= =

Тогда для коэффициента усиления коллекторной и эмиттерной цепей

можно записать:

б'б б'э н

(β 1)

rrR

⋅

+ + ⋅+

;

б'б б'э н

(β 1)

rrR

⋅

+ + ⋅+

В рассматриваемой схеме коэффициенты усиления каждого плеча не

превышают 1.

Недостатки схемы: низкое усиление, низкий уровень выходного на-

пряжения, большое различие выходных сопротивлений плеч. Для устранения

последнего недостатка используют добавочный резистор

äîá

Достоинства: простота схемы, низкая стоимость, хорошие характери-

стики на ВЧ из-за обратной связи, малый коэффициент гармоник, хорошая

термостабильность, высокое входное сопротивление.

Фазоинвертор с эмиттерной связью (рис. 9.5

Используются два усилительных элемента:

включен с ОЭ,

через

бл

включен с ОБ. На

сигнал подается с сопротивления связи

эс

. По-

скольку

включен с ОЭ, то он переворачивает фазу сигнала. Если ввести

р2

доп

Рис. 9.3. Условное обозначение

двухтактного усилительного

каскада

Рис. 9.4. Фазоинверсный каскад

с раздельной нагрузкой

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4. Двухтактные усилительные каскады



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-148-

коэффициент асимметрии

вх вых

= −= −

, то на основе законов Кирх-

гофа можно показать, что для заданного значения

выбор

эс

должен осу-

ществляться по формуле

эс

⋅

где

– крутизна транзистора.

Режим работы «B». Режим работы класса «B» характеризуется тем,

что усилительный элемент работает с отсечкой тока, т. е. ток в выходной це-

пи протекает только в течение половины периода входного колебания

(рис. 9.6

При разложении в ряд получаем следующее выражение для пульси-

рующего тока коллектора

к max к max к max к max

cosω cos 2ω cos 4ω ...

π 2 13π 35 π

ii i i

i ttt

⋅⋅

=+⋅+ ⋅− ⋅+

⋅⋅ ⋅⋅

В данном токе наряду с гармоникой основной частоты содержится постоян-

ная составляющая

к max

I =

и четные гармоники. В частности уровень второй гармоники составляет

42,5 %, четвертой – 8,5 % от уровня основной гармоники. При отсутствии

входного сигнала мощность от источника питания не потребляется

0I =

Рис. 9.6. Диаграммы работы

выходного каскада усилителя

в режиме «В»

к1

к2

пит

Рис. 9.5. Принципиальная электрическая

схема фазоинвертора

эс

вх2

бл

вх1

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4. Двухтактные усилительные каскады



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-149-

При работе в двухтактной схеме ток второго транзистора изменяется со

сдвигом фазы, равным 180°. Диаграммы работы каскада показаны на рис. 9.6.

Для получения сигнала, соответствующего входному сигналу, токи в

нагрузке от первого и второго транзистора вычитаются

нк к

.iii= −

В этом случае от источника питания потребляется ток

пк к

,iii= +

со-

держащий постоянную составляющую

0к max

Ii⋅=⋅

Мощность, потребляемую от источника питания за период, можно най-

ти по формуле

0 00к max 0

P IE i E=⋅⋅ =⋅ ⋅

Амплитуда сигнала в нагрузке, или амплитуда коллекторного напряже-

ния, может быть определена следующим образом:

с н к max

U Ri= ⋅

Тогда мощность в нагрузке за период

к max н к max

Ui Ri

⋅⋅

= =

Отсюда КПД схемы получается следующим:

н к max

00к max

ππ

ηξ

2 24

P Ui

P Ei

⋅

= = ⋅=⋅

⋅⋅

где

Тогда предельное значение

η 78,5 %=

. Реально

ξ 0,9=

η 70 %=

Рис. 9.7. Искажения сигнала на выходе усилителя вида «центральная отсечка»

б0

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4. Двухтактные усилительные каскады



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-150-

Характерной особенностью режима «B» являются искажения типа

«центральная отсечка», возникающие из-за нелинейности характеристики

(ИТ) (рис. 9.7).

Обычно используется промежуточный режим «AB»

0к max

(0,05 0,2)II= −⋅

Важнейшей характеристикой усилителя мощности является коэффициент

полезного действия (КПД). Достичь высокого КПД возможно в усилителях

мощности, построенных на двухтактных трансформаторных каскадах. Принци-

пиальная электрическая схема такого каскада представлена на рис. 9.8.

Данная

схема обеспечивает экономичный режим усиления знакопеременного сигнала

при незначительных потерях энергии от источника питания в режиме покоя.

По определению КПД (η) – это отношение мощности сигнала в нагруз-

ке (Ρ

) к мощности, потребляемой от источника питания (Ρ

ип

) за определен-

ный промежуток времени (t

= t

– t

)

нн

ип

ип ип

() ()

η,

() ()

U t i t dt

E t i t dt

−

= =

−

∫

где U

(t), i

(t) – напряжение и ток усиливаемого сигнала соответственно;

ип

(t) и I

ип

(t) – напряжение и ток, потребляемый каскадом от источника пи-

тания, соответственно.

Рис. 9.8. Электрическая принципиальная схема

двухтактного трансформаторного каскада

б1

VT1

б2

э1

э2