Шамшин В.Г. Основы схемотехники. Учебно-методический комплекс

Подождите немного. Документ загружается.

Вопросы для самопроверки

1. Объяснить понятие добротности усилителя.

2. Привести схемы составных транзисторов.

3. Определить коэффициент передачи составного транзистора, вклю-

ченного по схеме с общим эмиттером при коэффициентах передачи тока ба-

зы транзисторов B

=60 и B

=80.

4. Объяснить понятие динамической нагрузки.

5. Объяснить принцип работы параллельной высокочастотной коррек-

ции в широкополосных усилителях.

6. На какие свойства усилителя оказывает влияние величина коэффи-

циента высокочастотной коррекции?

7. Объяснить принцип действия низкочастотной коррекции.

8. Объяснить влияние емкости конденсатора цепи низкочастотной кор-

рекции на увеличение частотного диапазона.

9. Объяснить принцип работы высокочастотной коррекции за счет от-

рицательной обратной связи Z- типа.

10. Объяснить понятие эффективности цепи коррекции.

11. Объяснить понятие оптимальности значении коэффициента высо-

кочастотной коррекции.

12. Привести эквивалентной схемы каскада с общим истоком с цепью

параллельной высокочастотной коррекции.

13. Привести эквивалентной схемы каскада с общим эмиттером с це-

пью высокочастотной коррекции за счет ООС Z- типа.

14. Объяснить принцип использования метода Брауде.

15. Привести эквивалентной схемы каскада с общим истоком с цепью

низкочастотной коррекции.

16. Привести амплитудно-частотные характеристики усилителя с

эмиттерной высокочастотной коррекцией при различных значениях емкости

корректирующего конденсатора.

6. Усилители мощности

Каскады усиления мощности предназначены для обеспечения в нагруз-

ке заданной мощности сигнала при минимальных нелинейных и линейных

искажениях сигнала и при наименьшем потреблении энергии от источника

питания. Эти каскады применяются на выходе усилителя, поэтому они могут

носить название выходных или оконечных.

В зависимости от места применения различаются апериодические и ре-

зонансные усилители мощности. Первые применяются для усиления звуко-

вых и видеосигналов. Резонансные усилители мощности находят примене-

ние в передающих устройствах для усиления узкополосных радиочастотных

колебаний.

Усилители мощности имеют ряд особенностей и соответственно до-

полнительные характеризующие их работу параметры. К ним относятся уро-

вень отдаваемой в нагрузку мощности

IUP

=×= , уровень потреб-

ляемой мощности Р

·I

, коэффициент полезного действия h =P

Особенностями каскадов усиления мощности являются:

- работа выходных транзисторов в широком диапазоне токов и напря-

жений (режиме “большого” сигнала) с использованием нелинейной области

ВАХ, так как уровень отдаваемой мощности активным элементом зависит от

степени его использования. В пределе ток коллектора транзистора может

достигать тока насыщения, а напряжение между электродами - U

ост

;

- в целях повышения степени использования и экономичности преиму-

щественное использование режимов работы классов "В" и "АВ".

В общем случае любой из ранее рассмотренных каскадов также спосо-

бен отдавать в нагрузку определенную мощность. Однако, коэффициент по-

лезного действия у этих каскадов достаточно низок. Например, у каскада с

общим эмиттером (рис.4.1) с непосредственным включением сопротивления

нагрузки в цепь коллектора в предельном случае (U

кm

=0.5Е

, I

кm

ко

) КПД бу-

дет всего составлять

=×

= 100

5.0

ко

kmo

25%. В стандартном каскаде с емко-

стной связью с нагрузкой при реальных значениях амплитуд тока и напряже-

ния КПД будет менее 12%.

Экономичность усилителя мощности зависит от степени использования

источника питания, которая оценивается значениями питающего напряжения

, потребляемого усилителем тока I

и коэффициентами использования ис-

точника питания по напряжению ξ и току ψ

. (6.1)

С учетом коэффициентов ξ и ψ отдаваемая каскадом мощность и его

коэффициент полезного действия равны

= 0.5U

×I

= 0.5ξ×ψ×E

×I

, (6.2)

h = P

/ P

= 0.5ξ×ψ. (6.3)

Разница между потребляемой каскадом мощности и отдаваемой теря-

ется на элементах схемы каскада, большая часть этой мощности идет на на-

грев активного элемента

= P

- P

= P

×(P

- 1) = P

×(2/ξ×ψ - 1). (6.4)

Выходные каскады могут выполняться по однотактной или двухтакт-

ной схемам, в которых могут быть использованы все три схемы включения

транзисторов. Связь усилителя мощности с нагрузкой может быть гальвани-

ческой, трансформаторной или емкостной.

6.1. Бестрансформаторные каскады

6.1.1. Каскад на транзисторах одинаковой структуры

В настоящее время распространение получили бестрансформаторные

каскады, которые имеют ряд преимуществ перед трансформаторными, ос-

новными из которых являются меньшие габариты и вес, а также меньший

уровень вносимых искажений. Бестрансформаторные каскады выполняются

по двухтактным схемам, работающим в режиме классов B" или "AB", и могут

быть построены на транзисторах одного вида проводимости или на компле-

ментарных транзисторах (разного типа проводимости). На рис.6.1 приведена

упрощенная базовая схема бестрансформаторного каскада, выполненная на

транзисторах одного типа проводимости.

Рис.6.1. Схема бестрансформаторного каскада

Анализ работы двухтактного проводится с использованием выходных

характеристик транзистора для одной половины схемы (одного плеча). Пита-

ние каскада производится от двух источников питания, вследствие чего со-

противление нагрузки подключается между транзисторами и общей точкой

источников.

Особенностью двухтактного каскада является поочередность работы

каждого транзистора, для чего на входы каждого транзистора подаются оди-

наковые по амплитуде и отличающиеся по фазе на 180

входные сигналы U

вх1

вх2

. В результате этого каждый транзистор работает только в течение поло-

вины периода действия входного сигнала. При использовании транзисторов

обратной проводимости (n-p-n-типа) под действием входного сигнала через

транзисторы ток протекает, когда на базах действуют сигналы положитель-

ной полярности (рис.6.1,в).

Энергетические параметры каскада определяется также для одного

транзистора (одного плеча) за половину периода усиливаемого сигнала.

В этом случае мощность, отдаваемая транзисторами равна

= 0.5U

км

·I

км

. (6.5)

Поскольку в процессе работы через каждое плечо протекает пульси-

рующий ток (рис.6.1, в), то его среднее значение равно

км

ttd

км

II =×

×= sin

. (6.6)

Потребляемая каскадом мощность от источника питания

= 2·Е

·I

, (6.7

)

Коэффициент полезного действия каскада

×=×

км

. (6.8)

В пределе, когда U

ост

=0, коэффициенты использования источника пи-

тания x = y = 1 и коэффициент полезного действия h = 78%.

Мощность, рассеваемая на коллекторе одного транзистора, равна раз-

ности потребляемой и отдаваемой мощностей

)

(

)(

222

-×=-××=-×=

км

мок

РРР . (6.9)

В связи с тем, что величина потребляемой мощности зависит от уровня

входного сигнала

= 2·Е

·I

вх

ppp

×=×= 222 ,

то от него будет также зависеть мощность рассеяния на транзисторе. Опреде-

ление максимальной рассеиваемой мощности производится решением полу-

ченной функции (6.9) на экстремум. Для этого находится производная dР

/dx

и приравнивается нулю

=-=

dР

, (6.10)

откуда находится критическое значение коэффициента использования источ-

ника питания по напряжению x

max

=2/p, при котором каскад потребляет от ис-

точника питания максимальную мощность. Подставляя полученное значение

коэффициента x в (6.9), находится максимальная рассеиваемая мощность на

выходном электроде активного элемента

max

)

(

ppp

=-×= . (6.11)

Из последней формулы, используя соотношение

== ,

находится условие выбора транзистора по мощности

кдоп

³ 0.25Р

. (6.12)

Рассмотренный каскад имеет существенные недостатки, связанные с

разными схемами включения транзисторов. Транзистор VT1 включен по

схеме с общим коллектором, а транзистор VT2 – по схеме с общим эмитте-

ром. Известно, что схемы включения транзисторов отличаются по уровням

коэффициентов передачи входного ток h

, а также значениям входного и

выходного сопротивлений. Эти различия определяют разные уровни усиле-

ния полуволн входного сигнала, что приводит к дополнительным нелиней-

ным искажениям. Также недостатками схемы являются необходимость при-

менения двух источников симметричного питания и специального предвари-

тельного каскада, формирующего два противофазных управляющих сигнала.

Работа двухтактного каскада в режиме класса "B" характеризуется зна-

чительными нелинейными искажениями синусоидального сигнала, что под-

тверждается сопоставлением входного и выходного сигналов (рис.6.2,а). Это

вызвано тем, что при малых уровнях входного сигнала транзисторы остаются

закрытыми из-за сдвига входных характеристик, а также наличием нелиней-

ных участков в их начале. Поэтому пока уровень входного сигнала не пре-

вышает напряжение между базой и эмиттером порядка 0.3-07 В в зависимо-

сти от типа транзистора, ток коллектора отсутствует. При увеличении вход-

ного сигнала более напряжения отсечки происходит нарастание тока рабоче-

го транзистора.

Рис. 6.2. Нелинейные искажения

Уменьшение данных нелинейных искажений производится переводом

транзистора в режим работы класса "AB", для чего на базы транзисторов по-

дается небольшое смещение, соответствующее началу линейного участка их

вольтамперной характеристики, чем самым исключается использование уча-

стка входной характеристики до напряжения отсечки. В этом случае входной

сигнал воздействует на уменьшение базового тока одного транзистора и уве-

личения другого, в связи с чем, результирующая входная характеристика как

бы сдвигается и суммарная кривая выходного тока повторяет форму входно-

го сигнала (рис. 6.2, б).

Режим класса "АB" менее экономичен, поскольку потребляемый ток

возрастает на величину тока в рабочей точке "А" (рис.6.3,б), который со-

ставляет порядка (0.05÷0.1)I

км

С учетом тока покоя общий потребляемый ток равен

= 2·(I

ко

+ I

км

/ π). (6.13)

Увеличение потребляемого тока и некоторое уменьшение коэффициен-

тов использования источников питания x и y приводит к изменению условия

выбора транзисторов по мощности

кдоп

³ (0.4÷0.6)Р

. (6.14)

6.1.2. Каскад с разделительным конденсатором

В следующей схеме (рис.6.3, а) используется один источник питания,

поэтому нагрузка подключена к каскаду через разделительный конденсатор.

В статическом режиме напряжение коллектор – эмиттер каждого транзистора

равно U

кэ

=0.5Е

. При этом в течение времени, когда закрыт транзистор VT1,

конденсатор выполняет функцию источника питания, подзаряжаясь в период

работы транзистора VT1 от источника питания.

Рис.6.3. Схема бестрансформаторного каскада с одним источником питания

Определение емкости разделительного конденсатора производится с

соблюдением двух условий. Первым условием является обеспечение задан-

ных частотных искажений

ннн

МRF

. (6.15)

Вторым условием выбора является обеспечение небольшого уровня

разряда конденсатора ∆Е

в период работы второго транзистора

он

ЕF

. (6.16)

Для данной схемы значения отдаваемой P

и потребляемой P

мощно-

стей соответственно равны

== и

ooo

IEP

5.02

=××= . (6.17)

6.1.3. Каскады на комплементарных транзисторах

Основное применение среди бестрансформаторных каскадов имеют

каскады на комплементарных и составных квазикомплементарных транзи-

сторах (рис 6.4).

Рис.6.4. Схемы каскадов на транзисторах разного типа проводимости

Каскад на комплементарных транзисторах представляет собой обыч-

ный двухтактный каскад с использованием транзисторов разного типа прово-

димости p-n-p и n-p-n, что дает возможность управления работой каскадом

одним входным сигналом. В каскад дополнительно введены элемент термо-

компенсации (диод VD) и цепи местных обратных связей, уравнивающие

токи транзисторов. Транзисторы каскада могут быть включены как по схеме

с общим эмиттером, так и по схеме с общим коллектором. Последняя схема

включения предпочтительнее, так как она обладает повышенным входным

сопротивлением.

Комплементарные транзисторы – транзи-

сторы противоположных проводимостей

p-n-p и n-p-n типов.

При воздействии положительной полуволны входного сигнала открыт

транзистор VT1, а при отрицательной – VT2. С целью достижения более

значительных коэффициентов усиления по току выходные транзисторы часто

принимаются составными. В тех случаях, когда сложно подобрать компле-

ментарные транзисторы достаточно большой мощности, в выходной цепи

применяются транзисторы одинаковой структуры (рис.6.4,б), а предвари-

тельные разной проводимости. Такие каскады носят название каскадов на

квазикомплементарных транзисторах.

6.2. Трансформаторные каскады

Трансформаторные каскады используются в основном в тех случаях,

когда требуемое выходное напряжение превышает напряжение источника

питания или имеются сложности выбора транзистора с высоким уровнем до-

пустимого напряжения U

кдоп

Однотактный усилитель (рис.6.5, а) содержит транзистор с трансфор-

матором в коллекторной цепи, резисторы задания смещения на базе R1 и R2,

цепочку термостабилизации R

. Статический режим работы определяется

активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора и cопротив-

лением резистора в цепи эмиттера R

, в силу чего линия нагрузки каскада

(прямая MN) по постоянному току проводится из точки N (соответсвующей

) почти вертикально.

Рис. 6.5. Однотактный трансформаторный каскад усиления мощности

По переменному току транзистор нагружен на приведенное сопротив-

ление, зависящее от коэффициента трансформации

/)(' nRrr

++== . (6.18)

В этом случае отдаваемая мощность равна P

=0.5U

×I

, что соответ-

ствует площади треугольника АBC.

При известных сопротивлениях R'

, R

., принятом значении К.П.Д. ко-

эффициент трансформации можно определить по формуле

тр

. (6.19)

Работа каскада происходит следующим образом. Под воздействием

входного сигнала происходит пропорциональное изменение тока коллектора

относительно тока в рабочей точке I

ко

. Это изменение выходного тока, проте-

кая по первичной обмотке трансформатора, создает в ней переменное напря-

жение и индуцирует во вторичной обмотке ток I

, который создает выходное

напряжение.

В этом случае отдаваемая каскадом мощность равна

тр

нкмкм

РIU

, (6.20)

где h

тр

- коэффициент полезного действия трансформатора.

Значения потребляемой мощности каскадом от источника питания и

коэффициент полезного действия выходной цепи равны

= Е

×I

ко

(6.21)

fxh

××=××==

ко

км

. (6.22)

Так как в идеальном случае коэффициенты использования питания мо-

гут быть приняты равными единице x = y = 1, то предельный К.П.Д. h = 50%.

Разность мощностей потребляемой и отдаваемой идет главным образом

на нагрев транзистора

( -×=-=

ммок

РРРР

. (6.23)

Из последней формулы следует, что при отсутствии управляющего

сигнала вся потребляемая мощность идет на нагрев транзистора. Поэтому ус-

ловием выбора транзистора для однотактного каскада является

> (3±4)·Р

. (6.24)

При расчете однотактного каскада необходимо иметь в виду, что мак-

симальное напряжение между коллектором и эмиттером может составлять

кэ

=Е

+ U

км

= Е

· (1+x )» 2·Е

. (6.25)

Поэтому с учетом запаса транзисторы выбираются на напряжение

кэдоп

³2.5Е

. (6.26)