Нагрузкой выходного усилителя радиовещательной аппаратуры является акустическая система с небольшим сопротивлением (4 или 8 Ом). Для передачи максимальной мощности необходимо согласовывать сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением усилителя. Поэтому усилители мощности часто строятся по трансформаторной схеме.

На вход усилителя мощности поступает сигнал с большой амплитудой, охватывающий всю рабочую область входной характеристики усилительного элемента, вследствие чего его параметры меняются в широких пределах. Поэтому расчет усилителя мощности проводится графо-аналитическим методом, так как аналитические расчеты с использованием параметров усилительного элемента в рабочей точке дают большую погрешность.

Выделяющаяся в усилительном элементе электрическая энергия преобразовывается в тепловую и нагревает коллектор, поэтому для обеспечения надежной работы надо в мощных усилителях предусматривать системы охлаждения. Для охлаждения применяются радиаторы, продув воздушной струей и водяное охлаждение. Последние два метода применяются только в мощных усилителях передающих устройств, где выходная мощность достигает сотен Вт. Радиаторы часто применяются в выходных усилителях, построенных на транзисторах.

, (9.1)

где Р - мощность, выделяемая на транзисторе; - допустимая температура перехода; - максимальная температура окружающей среды; R - тепловое сопротивление перехода корпуса.

9.2 Способы построения однотактных выходных каскадов

При построении выходных каскадов, прежде всего надо правильно выбрать способ подключения внешней нагрузки. Простейшим способом является непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь, рис.9.1.

Рис.9.1. Выходной каскад с непосредственным включением нагрузки.

Такая схема включения нагрузки отличается простотой, отсутствием дополнительных элементов, потерь и нелинейных искажений. Однако при этом в однотактном каскаде через нагрузку протекает постоянная составляющая выходного тока, что значительно уменьшает КПД. К тому же протекание постоянной состовляющей через акустическую систему недопустимо. В этой схеме сопротивление нагрузки по постоянной и переменной составляющим равны сопротивлению внешней нагрузки:

Rн=Rнвн; Rн~= Rнвн

Второй способ подключения нагрузки может быть осуществлен через емкостную связь С 1, что устраняет вышеуказанный недостаток, рис.9.2.

Рис.9.2. Выходной каскад с емкостной связью.

Этот способ построения выходных каскадов используется в импульсных усилителях напряжения, в эмиттерных и истоковых повторителях, а также находит широкое применение в операционных усилителях.

В усилителях мощности широкое применение находит трансформаторное включение. Рис.9.3.



Рис.9.3. Выходной каскад с трансформаторной связью.

Трансформатор служит выходным устройством, которое связывает выходную цепь усилителя с внешней нагрузкой и позволяет получить для усилительного элемента оптимальное сопротивление нагрузки, т.е. согласовать выход с сопротивлением нагрузки.

Известно, что трансформатор - это преобразователь сопротивления:

где и - токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора;

и - напряжение на соответствующих обмотках;

- коэффициент трансформации;

и - количество витков в соответствующих обмотках.

Пересчитанное в цепь первичной обмотки сопротивление нагрузки определяется

. (9.2)

Из (9.2) можно сделать вывод, что в случае применения трансформаторной связи можно достигнуть максимальной передачи мощности и значительно повысить КПД. Однако использование трансформатора увеличивает габариты и вес, а также вносит дополнительные частотные и нелинейные искажения.

Через первичную обмотку трансформатора, включаемую в выходную цепь, подается напряжение питания на коллектор, а к вторичной обмотке подключают внешнюю нагрузку. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на внешную нагрузку.

9.3 Эквивалентная схема трансформаторного каскада

Эквивалентная схема трансформаторного каскада в основном определяется эквивалентной схемой трансформатора (рис.9.4.)

Рис.9.4.Эквивалентная схема трансформаторного каскада.

где r1 и r2 - сопротивления потери первичной и вторичной обмоток; и - индуктивности рассеяния; L1 - индуктивность первичной обмотки; Ls2, r2, Uвых, Rн, C0 - параметры, приведенные в цепь первичной обмотки трансформатора и определяемые из следующих выражений:

Трансформатор является элементом связи. Он имеет сердечник из ферромагнитного материала, который позволяет при небольших размерах трансформатора получать большую основную индуктивность L1 и малую индуктивность рассеяния, что необходимо для нормальной работы схемы. Трансформатор создает связь по переменной составляющей и вместе с тем изолирует внешую нагрузку от постоянной составляющей.

Полученная эквивалентная схема сложна, и подробный анализ приводит к громоздким выражениям. Поэтому целесообразно произвести обоснованные упрощения.

Очевидно, что в области низких частот основное влияние на работу усилителя оказывает индуктивность L1, так как ее индуктивное сопротивление убывает по мере понижения частоты и шунтирует выход схемы. В области высоких частот выход схемы шунтируется емкостями, и, кроме того, здесь выходное напряжение убывает вследствие возрастания сопротивления индуктивностей рассеяния. Поэтому для получения равномерного участка амплитудно-частотной характеристики в области средних частот параметры схемы должны быть выбраны так, чтобы на средних частотах все реактивные элементы оказывали на работу схемы пренебрежимо слабое влияние. Для этого должны быть обеспечены большое значение индуктивности первичной обмотки, малые значения индуктивностей рассеяния и малое значение шунтирующей емкости.

Для выходных усилителей в цепях максимальной отдачи мощности очень важен правильный выбор рабочего режима, напряжения питания, сопротивления нагрузки и амплитуды входного сигнала. Однотактные выходные каскады работают в режиме А.

9.4 Выходные динамические характеристики

Динамические характеристики усилителя применяются для графоаналитического расчета и анализа выходных каскадов. Различают следующие динамические характеристики:

выходная динамическая характеристика по постоянному току;

выходная динамическая характеристика по переменному току;

входные, сквозные и проходные динамические характеристики.

Наиболее широко применяются первые два вида динамических характеристик, которые рассмотрим подробнее.

Выходной динамической характеристикой (ВДХ) называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при наличии нагрузки в выходной цепи. Поскольку эти характеристики имеют прямую линию, их называют нагрузочными прямыми. Уравнением выходной цепи является

Uвых=Е-iвыхRн.

Это линейное уравнение, графиком которого является прямая линия.

Для построения нагрузочной прямой по постоянному току используются выходные статические характеристики усилительного элемента, а также при этом считаются заданными напряжение источника питания и сопротивление нагрузки. Причем различают сопротивление нагрузки по постоянному току и по переменному току . Сопротивление нагрузки в трансформаторном усилителе по переменному току значительно больше . В трансформаторном усилителе (рис.9.3.) имеет место:

(9.3.)

где r1 и r2 - сопротивление потери в первичной и во вторичной обмотках; - пересчитанное в цепь первичной обмотки сопротивление нагрузки, равное . При коэффициенте трансформации

,

величина будет значительно выше , поэтому в трансформаторных усилителях будет выполняться соотношение .

9.5 Построение ВДХ для каскада с емкостной связью

При построении нагрузочной прямой различают ВДХ по постоянному току, в которой используется нагрузочное сопротивление по постоянному току Rн=, и ВДХ по переменному току, в которой используется Rн~. В начале построим нагрузочную прямую по постоянному току, уравнением которой является

Uвых=Е-iвыхRн=. (9.4)

Уравнением нагрузочной прямой по постоянному току является линейное уравнение (9.4). Следовательно, для построения этой характеристики перерисуем из справочника выходную статическую характеристику для выбранного транзистора. Для построения нагрузочной прямой достаточно определить две точки:

1. на горизонтальной оси

2. на вертикальной оси

Через эти точки проводим выходную динамическую характеристику по постоянному току. Наклон нагрузочной прямой зависит от сопротивления нагрузки , рис.9.5.



Рис.9.5. Нагрузочная прямая по постоянному току

С помощью нагрузочной прямой по постоянному току определяют рабочую точку в выходной цепи. Рабочая точка определяется как точка пересечения найденной нагрузочной прямой со статической характеристикой, соответствующей заданному смещению на управляющем электроде. Опустив перпендикуляры из рабочей точки на вертикальную и горизонтальную оси, находят постоянные составляющие тока и напряжения выходной цепи.

Рассмотрим нагрузочную прямую или выходную динамическую характеристику по переменному току, уравнением которой является

Uвых=Е-iвыхRн~,

Где

.

При подаче на вход усиливаемого сигнала, имеем:

(9.5)

Из выражения (9.5) видно, что нагрузочная прямая по переменному току проходит также через рабочую точку и пересекается в ней с нагрузочной прямой по постоянному току, поэтому эту точку используют для построения нагрузочной прямой по переменному току.

Нагрузочную прямую по переменному току можно построить по двум точкам пересечения с горизонтальной и вертикальной осями (рис.9.6).

В этом случае из уравнения (9.5) получим

Рис.9.6. Нагрузочная прямая по переменному току для резисторного усилителя

9.6 Построение ВДХ для трансформаторного каскада

Построим нагрузочные прямые для трансформаторного каскада. Сопротивление постоянной составляющей тока выходной цепи этого каскада, равное Rн==r1, близко к нулю, так как сопротивление потери первичной обмотки незначительно. Поэтому нагрузочную прямую по постоянному току для трансформаторного каскада строят перпендикулярно горизонтальной оси из точки Е. Определим рабочую точку как точку пересечения ВДХ= с соответствующей статистической характеристикой. При известном значении , находим на горизонтальной оси точку

Uвых=

и проводим нагрузочную прямую по переменному току по двум найденным точкам, рис.9.7а.

Рис.9.7. Нагрузочная прямая по переменному току для трансформаторного усилителя:а - построение; б - расчет.

Выходные динамические характеристики используются для графического расчета усилителей мощности. Зная амплитуду усиливаемого сигнала на управляющем электроде, по нагрузочной прямой определяем амплитудные значения тока выходной цепи и выходного напряжения , полезную выходную мощность

,

потребляемую мощность

,

коэффициент полезного действия

з=P~/P0

и коэффициент гармоник

, (9.6)

где а, б и в - отрезки нагрузочной прямой, определяемые по рис. 9.7,б.

Таким образом, используя выходные динамические характеристики усилителя, можно рассчитать все основные его показатели.

9.7 Анализ однотактного выходного каскада в режиме А

Рассмотрим принципиальную схему выходного каскада с непосредственным включением внешней нагрузки в выходную цепь усилителя (рис.9.1.). Для анализа построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току, которые для этой схемы совпадают, так как Rн==Rн~=Rнвн. Для выбранного транзистора возьмем из справочника семейство статических выходных характеристик. На горизонтальной оси откладываем Uвых=Е, а на вертикальной оси точку

i=E/ Rнвн.

Соединив эти точки, посторим нагрузочную прямую, рис.9.8.

Рис.9.8. Анализ однотактного выходного каскада в режиме А.

Находим рабочую точку (пересечение нагрузочной прямой со статической характеристикой, соответствующей заданному смещению). Из рабочей точки опускаем перпендикуляры на горизонтальную и вертикальную оси и определяем постоянные составляющие выходного напряжения U0 и выходного тока I0. Амплитуда входного сигнала должна охватывать весь раствор семейства выходных статистических характеристик. При заданном значении амплитуд входного сигнала Iтвх графическим путем определяем амплитудное значение выходного напряжения Uтвых и выходного тока Iтвых. Затем аналитическим путем рассчитываем основные показатели выходного каскада.

Так, полезная выходная мощность P~ рассчитывается следующим образом:

P~= Iтвых Uтвых/2;

Максимальное значение амплитуды выходного тока определяется ImвыхIo, выходного напряжения - Uтвых=0,5Е. Следовательно, максимальная полезная мощность P~max=0,25 I0Е. Максимальное значение КПД определяется

зmax= P~max/P0=0,25 I0Е/ I0Е=0,25,

где P0= I0Е - потребляемая мощность.

Для получения максимального значения КПД сопротивление нагрузки Rнвн должно быть равным

Rнвн= Uтвых/ Iтвых=0,5Е/ I0.

Изменение Rнвн в любую сторону или уменьшение Iтвх уменьшают полезную мощность и КПД.

Таким образом, этот способ включения имеет малый КПД<0,25. Кроме того, через нагрузку не должна протекать постоянная составляющая I0, поэтому эта схема в однотактных усилителях применяется редко и встречается только в случае, когда в качестве нагрузки применяется реле. Но надо отметить, что непосредственное включение нагрузки находит широкое применение в двухтактных бестрансформаторных каскадах.

Резисторно-емкостное подключение внешней нагрузки Rнвн (рис.9.2) обеспечивает еще меньшее значение КПД?0,08. Простота схемы и отсутствие громоздких компонентов составляют общие черты с предыдущей схемой, однако в этой схеме устранен один из ее недостатков: постоянная составляющая выходного тока не протекает через внешнюю нагрузку. Каскады выходных усилителей с резисторно-емкостным включением внешней нагрузки используются в импульсных усилителях напряжения.

9.8 Анализ однотактного трансформаторного усилителя мощности в режиме А

Проведем графо-аналитический расчет основных характеристик усилителя мощности (P~, з, Кг). Для этого необходимо построить выходную динамическую характеристику для выбранного транзистора. На семействе выходных статистических характеристик построим нагрузочную прямую по постоянному току (ВДХ=). Для этого из точки Е на горизонтальной оси проведем прямую, параллельную вертикальной оси, так как Rн==r10. Обозначим рабочую точку, и, опустив перпендикуляры на горизонтальные оси, определим U0 и I0.

Сопротивление нагрузки переменной составляющей в трансформаторном каскаде равно

Rн~= r1+r2+ Rн Rн,

Где

Rн= Rнвн/n2, r2= r2/n2, n=w2/w1,

w-количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Через рабочую точку и точку на горизонтальной оси равной

Uвых=U0+ I0Rн~,

проведем выходную динамическую характеристику по переменному току (ВДХ~) рис.9.9.

Рис.9.9. Анализ трансформаторного усилителя мощности в режиме А.

При заданной амплитуде входного сигнала определяем амплитудные значения выходного тока Iтвых и выходного напряжения Uтвых. Максимальное значение амплитуды выходного тока определяется Iтвых=I0, выходного напряжения Uтвых=U0. Следовательно, максимальная полезная мощность определяется

P~= Iтвых Uтвых/2=0,5 U0 I0,

где:

= Uтвых/ U0

-коэффициент использования напряжения питания,

= Iтвых/ I0

- коэффициент использования тока покоя.

Потребляемая мощность

P0=I0Е=I0U0.

Коэффициент полезного действия определяется

з=P~max/P0=0,5.

При полном использовании напряжения питания и тока покоя Iтвых=I0, Uтвых=U0. Поэтому максимальный коэффициент полезного действия будет равен зmax=0,5

Таким образом, однотактный трансформаторный усилитель мощности в режиме А обеспечивает КПД до значения 0,5. Мощность рассеивания на коллекторе Pк=P0-P~. В случае отсутствия входного сигнала P~=0, то есть в режиме молчания, следовательно, Pк=P0. Вся потребляемая мощность рассеивается на коллекторе и вызывает разогрев транзистора, что является большим недостатком однотактного усилителя мощности.

Для определения коэффициента гармоник используется сквозная динамическая характеристика.

Лекция №10. Двухтактные выходные каскады

10.1 Резисторные двухтактные усилители напряжения

Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента, работающих в противофазе на общую нагрузку, рис.10.1.

Рис.10.1. Резисторный двухтактный усилитель.

Резисторные двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада, которые называются плечами и работают в противофазе. Плечи двухтактного усилителя объединены общим проводом и источником питания. В отличие от однотактных усилителей двухтактные усилители имеют симметричный вход, т.е. на вход двухтактного усилителя подается симметричный усиливаемый сигнал (двухфазное напряжение, сдвинутое по фазе на 180 и имеющее равные амплитуды). Следовательно, между однотактным предварительным усилителем и двухтактным выходным каскадом должно быть предусмотрено устройство, преобразующее несимметричное однофазное напряжение в симметричное. Схемы такого назначения называют фазоинверсными.

Так как плечи двухтактной схемы работают в противофазе, то в режиме А одинаковые по величине и противоположные по направлению токи сигнала в общем проводе эмиттеров компенсируются. Поэтому Rэ не нуждается в шунтировании конденсатором Сэ.

10.2 Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Двухтактные транзисторные каскады находят самое широкое применение в усилителях мощности. Рассмотрим принципиальную схему двухтактного трансформаторного усилителя мощности, рис.10.2

В отличие от резисторного каскада трансформаторное включение позволяет объединить нагрузку плеч. Из-за большого разброса параметров каскады с общей эмиттерной стабилизацией R5 получается ассиметрия плеч. Поэтому для симметрирования плеч в цепи эмиттеров каждого транзистора обычно включают подстроечные небольшие резисторы Rэ 1 и Rэ 2.

Рис.10.2. Двухтактный трансформатор усилителя мощности.

В качестве фазоинверсной схемы на входе двухтактного усилителя мощности может быть использован трансформатор с заземленной средней точкой во вторичной обмотке. В этом случае принципиальная схема двухтактного усилителя имеет следующий вид, рис.10.3.

Рис.10.3. Выходной каскад с согласующим трансформатором.

В этой схеме используется два трансформатора: Тр.1 - согласующий, Тр.2 - выходной. Применение согласующего трансформатора позволяет объединить делители для подачи смещения. В режиме В использование эмиттерной стабилизации приводит к дополнительным нелинейным искажениям, поэтому в этой схеме используется температурная стабилизация.

10.3 Работа двухтактного каскада в режиме В

Основным достоинством двухтактного каскада является возможность использования экономичного режима В без заметных нелинейных искажений. Последнее объясняется свойством двухтактной схемы компенсировать четные гармоники. Если двухтактный каскад выполнен на однотипных усилительных элементах, то их возбуждение ведется от источника двухфазного (0° и 180°) напряжения, получаемого от фазоинверсного каскада или трансформатора, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки, соединенной с общим проводом.

Если в рассматриваемый момент времени полярность Uвх 1 отрицательная, то V1 открывается, следовательно коллекторный ток возрастает на некоторую величину , в то время как коллекторный ток второго транзистора уменьшается , так как фазы Uвх 1 и Uвх 2 отличаются на 180°.

Первичная обмотка выходного трансформатора наматывается в одну сторону и от ее середины делается отвод. Через первичную обмотку протекают следующие токи: - полный коллекторный ток первого транзистора

(рис.10.4.1)

и полный коллекторный ток второго транзистора

(рис.10.4.2).

Магнитное действие токов и взаимно противоположны, т.к. они протекают в противоположных направлениях. Поэтому результирующее значение магнитодвижущей силы пропорционально разности:

. (10.1)

Разность полных токов удобно рассматривать как некоторый эквивалентный намагничивающий ток

, (рис.10.4.3.)

и представлять как сумму двух составляющих: постоянной

и переменной

.

Если динамические характеристики совпадают, то

; , .

В момент покоя коллекторные токи транзисторов создают магнитные статические поля, равные и взаимно противоположные по направлению, в результате чего постоянное магнитостатическое поле в сердечнике выходного трансформатора отсутствует. Это является важным преимуществом, так как при этом увеличиваетя индуктивность первичной обмотки, вследсвии чего уменьшается коэффициент и уровень нелинейных искажений, создаваемых самим трансформатором. Все это позволяет снизить массу и габаритные размеры трансформатора. Другим преимуществом является отсутствие четных гармоник и связанных с ними комбинационных частот:

В соответствии с последним выражением разностный ток не содержит четных гармоник, что уменьшает коэффициент нелинейных искажений.

В двухтактных усилителях потребляемый ток Iкср=2iкmax/ зависит от амплитуды сигнала, рис.10.4.4. При малых амплитудах или отсутствии сигнала Iкср0. Следовательно, потребляемая мощность незначительна. Вследствие чего двухтактный усилитель мощности по сравнению с однотактным имеет высокую эффективность и экономичность (напомним, что в режиме А потребляемая мощность от амплитуды сигнала не зависит). Поэтому двухтактные каскады в режиме В применяются в аппаратуре с аккумуляторным питанием при любой мощности выходного сигнала.



Рис.10.4. Графики токов в двухтактном каскаде.

Наконец, к числу преимуществ двухтактного каскада следует отнести то обстоятельство, что общий потребляемый ток, протекающий через источник питания, не содержит составляющие основной частоты. Переменные составляющие токов iк~ и iк~ взаимно компенсируются. Отсутствие в цепи источника питания основной частоты позволяет исключить шунтирующую емкость Сэ и уменьшить емкость развязывающего фильтра Cф. Следует отметить, что указанные преимущества в полной мере реализуются только при симметрии плеч.

В двухтактной трансформаторной схеме в режиме класса "В" без исходного смещения характерны искажения типа "ступеньки" (рис.10.5.).

Рис.10.5. Искажения типа ступеньки.

Для уменьшения этих искажений на базы транзисторов подается небольшое напряжение смещения, равное абсциссе точки пересечения касательной, проведенной через точку, расположенную на прямолинейной части характеристики, с осью абсцисс, рис.10.6.

Рис.10.6. Сопряжение проходных характеристик транзисторов в двухтактном усилителе с исходным смещением и диаграмма тока.

10.4 Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

Анализ усилителя мощности из-за больших амплитуд сигналов проводят графоаналитическим методом с построением нагрузочных прямых, рис.10.7.



Рис.10.7. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

Поскольку транзисторы работают поочередно, то анализ и расчет двухтактного каскада можно произвести для одного плеча. Графическим методом определяем амплитуды выходного тока и выходного напряжения: . Колебательная мощность, получаемая от обоих транзисторов

Потребляемая мощность от источника питания определяется выражением:

,

Где

Iкср=2iвыхmax/

Коэффициент полезного действия можно выразить:



Где

- коэффициент использования транзистора по напряжению.

При максимальное значение КПД max=0,785.

Коэффициент использования транзисторов обычно , следовательно, практически достижимое значение КПД примерно равно 0,7.

Мощность рассеяния на коллекторе каждого транзистора определяется выражением:

Pк=(P0-P~)/2.

Максимальное значение мощности в режиме В достигает . Из последнего выражения можно сделать вывод, что двухтактный трансформатор ный усилитель мощности значительно снижает мощность рассеяния на транзисторе. В режиме А рассеиваемая мощность определяется .

Последние соотношения показывают, что двухтактные усилители в режиме В имеют высокую экономичность и эффективность.

10.5 Фазоинверсные схемы

При использовании двухтактной схемы усилительного каскада на управляющие электроды необходимо подавать равные по величине и противофазные напряжения сигнала. Это создает некоторые затруднения, так как предшествующий однотактный каскад дает однофазное напряжение. Простейшим устройством, преобразующим несимметричные сигналы в симметричный, является трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Однако трансформаторы имеют большие габориты вес и дополнительные нелинейные искажения. Это приводит к необходимости заменять трансформаторы специальными схемами усилителей на сопротивлениях, которые дают на выходе равные и противофазные напряжения. Такие схемы назваются фазоинверсными.

Наиболее широко применяется фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой, рис.10.8.

Рис.10.8. Фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой.

В этих схемах выходные напряжения получаются равными по величине и противофазными относительно общей точки. Приведенные фазоинверсные схемы просты, но имеют малый коэффициент усиления и асимметрию плеч за счет отрицательной обратной связи.

Наилучшие показатели имеют фазоинверсные схемы с эмиттерной связью.

В инверсном каскаде с эмиттерной связью (рис.10.9) используются два усилительных элемента. Входное напряжение поступает на базу транзистора V1, включенного с общим эмиттером. Отрицательная полярность приоткрывает V1. Переменная составляющая тока iвыхv1 протекая через Rэ и Rн' создает на них падения напряжений Uвхv2 и Uвых 1 с указанными полярностями. На транзистор V2, включенный с общей базой (так как его база соединена с общим проводом блокировочным конденсатором ), подается сигнал противоположной полярности с резистора эмиттерной связи . Транзистор V2 призакрывается, это означает, что переменная составляющие тока iвыхv2 протекает в противоположном направлении. При этом на Rн” происходит падение напряжения с указанной полярностью (рис.10.9).

Рис.10.9. Фазоинверсная схема с эмиттерной связью.

Частотная и переходная характеристики каскадов с эмиттерной связью практически не отличаются от характеристик резистивного усилителя, а поэтому расчет элементов каскада, а также вносимых им частотных и переходных искажений производят по формулам резисторного каскада.

Лекция №11. Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности

11.1 Общие сведения

Непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь усилительных элементов позволяет исключить трансформатор. Трансформаторы создают частотные и нелинейные искажения. Трансформаторные каскады не способны пропускать широкую полосу частот, а за счет больших фазовых сдвигов в таких каскадах или становится невозможным применение глубокой обратной связи. Трансформаторы громоздки, обладают большей массой и, в отличие от транзисторов, диодов и резисторов, не могут являться элементами интегральных схем.

Транзисторные бестрансформаторные усилители получили большое распространение из-за своих весьма высоких качественных показателей. Они являются основным звеном современной аппаратуры высококачественного усиления звуковых частот и наиболее перспективны, так как могут быть реализованы в интегральном исполнении.

11.2 Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности

Бестрансформаторный усилитель представляет собой двухтактный каскад с последовательным питанием и параллельным возбуждением однофазным несимметричным напряжением, рис.11.1.



Рис.11.1. Бестрансформаторный усилитель мощности.

По постоянному току транзисторы V2 и V3 включены последовательно, а по переменному - параллельно. Поэтому выходное сопротивление каскада уменьшается, что снижает оптимальное сопротивление нагрузки, приближая его к сопротивлению электродинамических громкоговорителей (4 или 8 Ом). Внешняя нагрузка подключается к общей точке эмиттеров через разделительный конденсатор С1, сопротивление которого на низшей рабочей частоте должно быть невелико по сравнению с . Поэтому эта емкость С1 выбирается с большим номиналом.

Использование транзисторов с одинаковыми параметрами, но разной структурой позволяет объединить входные цепи плеч и исключить фазоинверсный каскад, так как сигнал, открывающий транзистор типа р-n-р, будет закрывать транзистор n-р-n. Плечи работают в противофазе и поочередно. Отрицательная полярность сигнала открывает V2 и закрывает V3. Выходной ток, протекая через С1, заряжает ее до 0,5Е. При положительной полярности транзистор V2 закрывается и открывается V3 . Источником питания в этот период является заряд емкости С1. Следовательно, такой каскад может возбуждаться однофазным напряжением от обычного резисторного каскада с непосредственной связью.

Бестрансформаторные каскады могут работать как в режиме А, так и в режиме В, но более часто используется экономичный режим В. Транзисторы в режиме В могут работать и без смещения, однако в этом случае появляются искажения типа "ступеньки", характерные для режима В.

Для обеспечения начального смещения и выходных транзисторов V2 и V3 используют терморезистор или диод, включенный в коллекторную цепь транзистора V1 последовательно с резистором нагрузки . Ток покоя транзистора V1 предоконечного каскада, проходя через , создает на нем небольшое падение напряжения, которое равно суммарному напряжению смещения

.

Так как транзисторы оконечного каскада включаются последовательно по постоянному току, кроме того, их коллекторные напряжения должны быть одинаковыми, то общая точка эмиттеров транзисторов V2 и V3 будет иметь потенциал относительно общего провода, равный 0,5Е 0.

Терморезистор осуществляет стабилизацию тока покоя оконечных транзисторов, так как его сопротивление, а, следовательно, и падение напряжения смещения на нем уменьшаются при повышении температуры. Терморезистор или диод устанавливается на радиаторе одного из оконечных транзисторов в непосредственной близости от него, так что их температуры будут примерно одинаковыми. В первом каскаде используется эмиттерная стабилизация точки покоя транзистора V1.

Для стабилизации потенциала общей точки эмиттеров (0,5Ео) используется отрицательная обратная связь (ООС), охватывающая оба каскада. Ее элементами являются резисторы R1 и R2, одновременно образующие делитель смещения в цепи базы транзистора V1. OOC не только стабилизирует напряжение 0,5Е 0, но и улучшает качественные показатели усилителя, так как она введена по постоянному и переменному токам.

Однако эта схема бестрансформаторного усилителя обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что обычный резисторный каскад не может обеспечить необходимой амплитуды возбуждения для полного использования выходных транзисторов, а это значительно снижает КПД усилителя. Так как выходные транзисторы оказываются включенными с общим коллектором (ОК), то напряжение возбуждения, подводимое к их входной цепи должно превышать выходное.

11.3 Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной симметрией

Максимальная амплитуда напряжения сигнала на выходе оконечного каскада Uвыхт близка к 0.5Е, а входное напряжение должно быть равно

Uвхт= Uвыхт+Uб>0.5Е.

Такое напряжение резисторный каскад при источнике питания с напряжением E отдать не в состоянии. Этот недостаток устраняют введением положительной обратной связи (ПОС), для чего верхний вывод резистора присоединяют через емкость к сопротивлению нагрузки , рис.11.2.

Рис.11.2. Бестрансформаторный усилитель с вольтдобавкой.

При этом все выходное напряжение Uвыхт вводится во входную цепь оконечного каскада. Каждое плечо оконечного каскада является эмиттерным повторителем, поэтому выходное напряжение совпадает по фазе с напряжением возбуждения и увеличивает его примерно вдвое. Наличие положительной обратной связи позволяет уменьшить ток сигнала через резистор и снизить необходимое напряжение сигнала на нем. При этом сигнал на входе оконечного каскада получается достаточным для полного использования выходных транзисторов по напряжению, и КПД каскада оказывается близким к теоретическому пределу.

Кроме конденсатора в этой схеме необходим еще и резистор , который по переменному току присоединен (через , C1 и источник питания) параллельно внешней нагрузке Rн, поэтому сопротивление не должно быть слишком малой величиной, чтобы не шунтировать Rн. Одновременно приходится считаться с тем, что на теряется часть напряжения питания первого транзистора и, с этой точки зрения, необходимо, чтобы <<. Рассмотренный безтрансформаторный усилитель мощности с положительной обратной связью называют усилителем с вольтдобавкой или с дополнительной симметрией.

11.4 Бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах

При большой выходной мощности подобрать близкие по параметрам и характеристикам пары транзисторов разных структур р-n-р и n-р-n сложнее. Поэтому оконечный каскад строится на составных транзисторах.

Принципиальная схема бестрансформаторного усилителя мощности, имеющего двухтактный каскад с составными транзисторами изображена на рис.11.3.



Рис.11.3. Бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах

Оконечный каскад содержит четыре транзистора, причем каждое плечо его представляет составной транзистор. Транзисторы V3 и V5 образуют двойной эмиттерный повторитель, а транзисторы V4 и V6 составляют усилитель со 100% ООС, который обладает примерно теми же параметрами и свойствами, что и двойной эмиттерный повторитель: высокое входное и малое выходное сопротивления, оба плеча схемы выходного каскада не усиливают входное напряжение (К<1) и не меняют его полярность.

Стабилизация положения точек покоя транзисторов оконечного каскада осуществляется диодом V2, на котором создается падение суммарного напряжения смещения. Резисторы и Rc являются вспомогательными элементами, которые улучшают стабильность режима, способствуют снижению частотных искажений и несколько выравнивают параметры плеч двухтактного каскада, что приводит к уменьшению нелинейных искажений, обусловленных асимметрией плеч. Сопротивление Rc обычно меньше 1 Ом, так как на них теряется часть выходной мощности; в 510 раз больше входного сопротивления мощного транзистора. Введение ПОС по цепи увеличивает напряжение возбуждения и тем самым повышает КПД усилителя. Для получения высоких качественных показателей в усилителе вводится глубокая ООС по переменному току через резистор Roc, охватывающая весь усилитель. Стабилизация напряжения 0,5Е 0 выходных транзисторов аналогична описанной выше и осуществляется гальванической ООС по постоянному току через резисторы и . Конденсатор служит для устранения ООС по переменному току.

Усилитель с бестрансформаторным выходом обладает весьма высокими качественными показателями. Частотные искажения в области низких частот в данной схеме незначительны благодаря непосредственной связи между каскадами. В области верхних частот искажения определяются в основном мощными транзисторами оконечного каскада.

Достаточно глубокая общая ООС уменьшает нелинейные искажения и улучшает остальные качественные показатели усилителя в целом. Выходное сопротивление такого усилителя становится ничтожно малым. Это весьма благоприятно сказывается на работе акустической системы радиовещательной аппаратуры.

Лекция №12. Курсовое проектирование

12.1 Цель курсового проектирования

Основной целью курсового проектирования по дисциплине "Схемотехника аналоговых электронных устройств" является углубление и закрепление знаний студентов по лекционному курсу, приобретение опыта самостоятельной работы по проектированию современных усилителей.

Студент должен получить опыт не только расчета отдельных каскадов усилителей, но и обоснованного выбора структурной схемы усилителя, элементов и узлов, удовлетворяющих заданным требованиям на усилитель в целом.

Вместе с тем, курсовое проектирование должно научить студента работать со справочной литературой и ГОСТом, использованию при расчете характеристик элементов, а также графиков и таблиц, облегчающих инженерные расчеты.

12.2 Содержание и тематика проекта

Каждый студент выполняет курсовой проект согласно индивидуальному заданию, которое получает от преподавателя-консультанта.

Задание предусматривает выбор и обоснование функциональной схемы усилителя, расчет выходного и предвыходного каскадов и одного или двух каскадов предварительного усилителя. При наличии цепей ООС производится расчет этих цепей.

Задание содержит перечень исходных данных для проектирования. Некоторые частные исходные данные по указанию консультанта могут быть выбраны студентом самостоятельно при обязательном обосновании такого выбора на основании предъявленных к усилителю более общих требований.

Учитывая, что в современной радиоэлектронной аппаратуре используются как полупроводниковые, так и электровакуумные приборы, тематика курсовых проектов включает:

- усилители звуковой частоты (УЗЧ) с трансформаторным выходным каскадом;

- УЗЧ с бестрансформаторным выходным каскадом;

- УЗЧ для заданной группы сложности с выбором типа выходного каскада;

- УЗЧ на интегральных микросхемах и операционных усилителях;

- импульсные усилители на дискретных полупроводниковых усилительных элементах с нагрузкой различного типа.

Кроме перечисленных тем студенту может быть предъявлен проект на разработку, изготовление и отладку действующего макета усилителя, используемого в учебных целях или научно- исследовательских работах (НИР) на кафедре. Если объем задания в этом случае выходит за рамки курсового проекта, разработка такого устройства может поручиться нескольким студентам.

12.3 Правила выполнения и оформления курсового проекта

Курсовой проект должен представлять законченное описание спроектированного усилителя, содержащее техническое задание, обоснование схемы и отдельных ее каскадов, расчет элементов схемы (за исключением элементов интегральных схем), сравнение полученных результатов с техническим заданием.

Курсовой проект состоит из пояснительной записки и графической части.

Пояснительная записка к курсовому проекту должна содержать следующие материалы:

- титульный лист;

- оглавление;

- техническое задание;

- функциональную схему усилителя и ее обоснование;

- ориентировочную принципиальную схему;

- распределение ожидаемых частотных или временных искажений по отдельным каскадам и цепочкам;

- обоснование выбора типа активных элементов и таблицу параметров этих элементов;

- выбор режима каждого каскада;

- расчет нелинейных искажений (для УЗЧ);

- выбор и расчет цепей ООС (если они необходимы);

- расчет результирующих характеристик усилителя;

- технические требования к источнику питания;

- сравнение заданных и полученных при расчете характеристик усилителя и заключение о результатах проектирования;

- список используемой литературы.

Пояснительная записка должна быть написана разборчиво или набрана на одной стороне листа стандартного размера А 4. Текст пояснительной записки (20-30 листов) следует разбить на разделы, снабженные заголовками. Страницы нумеруются и должны иметь поля: слева - 25 мм и справа - 5 мм.

В текст каждого раздела необходимо включить принципиальную или упрощенную схему рассчитываемого каскада (или узла) и соответствующие характеристики усилительного элемента с необходимыми построениями. Схемы и характеристики могут быть выполнены на миллиметровой бумаге. Они должны быть пронумерованы и иметь пояснительные надписи.

Выбор каждого усилительного элемента или номинал детали должен быть обоснован.

Формулы, по которым ведется расчет, должны быть приведены в тексте полностью с объяснениями буквенных обозначений, которые в тексте используются впервые. Окончательный результат должен быть вычислен с точностью до трех значащих цифр (545000 или 5,45, или 0,545) и снабжен основной или производной единицей размерности (мА, Ом, кОм и т.п.).

В тексте записки указывается литература, из которой заимствован используемый метод расчета данного каскада или элемента.

Графическая часть проекта состоит из двух документов: структурной и принципиальной схем.

Принципиальная схема усилителя вычерчивается в карандаше (или туши) на листе чертежной бумаги (формат А 2) в соответствии с ГОСТом.

Элементы принципиальной схемы нумеруются сверху вниз направо в порядке возрастания номера элемента каждого типа. Графическую часть можно оформить в компьютерном варианте.

Спецификация составляется согласно ГОСТу.

Выполненный курсовой проект (пояснительная записка и графическая часть) представляется на рецензию руководителю-консультанту. Замечания, отмеченные в рецензии, можно устранить до защиты проекта. Защиту проекта принимает комиссия, в состав которой входит руководитель-консультант проекта.

12.4 Организация работ и последовательность проектирования

Примерное распределение времени при выполнении курсового проекта:

1) изучение литературы по теме и выбор функциональной схемы 15%

2) расчет функциональной схемы 15%

3) покаскадный электрический расчет 40%

4) оформление пояснительной записки 10%

5) выполнение графической части 10%

6) подготовка к защите 10%

Примерная последовательность проектирования:

- ознакомление с заданием, подбор и изучение литературы по теме;

- выбор способа включения нагрузки, выбор схемы и режима оконченного каскада;

- предварительный расчет выходного каскада;

- составление структурной схемы усилителя, распределение ожидаемых частотных или временных искажений по каскадам;

-составление ориентировочной принципиальной схемы усилителя;

- электрический расчет каскадов усилителя;

- расчет нелинейных искажений (для УЗЧ);

- расчет цепей обратной связи (если она есть);

- сравнение необходимого и расчетного входного напряжения;

- расчет частотных или временных искажений спректированного усилителя;

- составление окончательной принципиальной схемы усилителя;

-составление таблицы сравнения заданных и полученных характеристик усилителя.

По курсовому проекту проводится дифференцированный зачет с выставлением оценки.

При защите проекта студент должен коротко (7-10 мин) изложить суть проделанной работы и ответить на вопросы по теме курсового проекта. В случае неудовлетворительной оценки студент с разрешения деканата может быть допущен к повторной защите выполненного проекта. В случае неудовлетворительной повторной защиты ликвидация академической задолженности может быть произведена после выполнения нового курсового проекта.

Подробные методические указания по выполнению курсового проекта изложены в [13].

Лекция №13. Обратная связь в аналоговых электронных устройствах

13.1 Классификация видов обратной связи

Обратной связью (ОС) называют такую электрическую связь, посредством которой передается энергия сигнала с выхода усилителя на его вход. Структурные схемы усилителей с обратной связью приведены на рис.13.1,а, б.

Рис.13.1. Структурные схемы усилителей: а - с последовательной ОС по напряжению; б - с параллельной ОС по току

На вход усилителя воздействует результирующий сигнал, отличающийся от входного сигнала .

(13.1)

Часть выходного сигнала по цепи ОС поступает во входную цепь. Соответственно, меняется и входное напряжение . По существу никаких перемен в работе усилителя не происходит, а меняется сигнал на его входе.

Если напряжение, поступающее по цепи обратной связи, совпадает по фазе с входным напряжением источника сигнала, то обратная связь называется положительной, .

Если фаза противоположна фазе , то обратная связь отрицательная. В этом случае . В усилителях широко применяется отрицательная обратная связь (ООС), так как она улучшает все качественные показатели усилителя, кроме коэффициента усиления. Коэффициент усиления с учетом обратной связи Коос уменьшается. Уменьшение Коос компенсируется увеличением числа каскадов.

Положительная обратная связь (ПОС) увеличивает Кпос, но ухудшает все качественные показатели, в том числе устойчивость. Усилитель может самовозбудиться, т.е. усилитель превращается в автоколебательную систему, поэтому положительная обратная связь находит ограниченное применение.

Кроме искусственно вводимых обратных связей могут образовываться паразитные обратные связи через паразитные индуктивности и емкости, через общие цепи питания. Эти паразитные обратные связи могут нарушать нормальную работу усилителя, поэтому они всегда нежелательны.

По способу снятия напряжения различают обратную связь по напряжению и по току. В структурной схеме, приведенной на рис.13.1,а, напряжение обратной связи снимается непосредственно с нагрузки и пропорционально выходному напряжению. Такая обратная связь называется обратной связью по напряжению. Если напряжение обратной связи снимается с дополнительного сопротивления, рис. 13.1,б, включенного последовательно , то в этом случае пропорционально току в выходной цепи. В этом случае обратную связь называют обратной связью по току.

По способу подачи напряжения обратной связи во входную цепь различают параллельную и последовательную обратные связи. Параллельная и последовательная обратные связи проиллюстрированы соответственно на рис.13.1,а, б.

13.2 Влияние обратной связи на качественные показатели АЭУ

Рассмотрим структурную схему усилителя с последовательной обратной связью по напряжению (рис.13.1,а). В этой схеме введем следующие обозначения;

- коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

- коэффициент усиления усилителя с учетом цепи обратной связи;

- коэффициент передачи цепи обратной связи;

- коэффициент передачи петли обратной связи.

Из выражения (13.1) можно записать

. (13. 2)

Учитывая (13.2), находим коэффициент усиления усилителя с обратной связью

(13.3)

Выражение в знаменателе зависит от знака коэффициента передачи цепи обратной связи. Если имеет место положительная обратная связь, то этот знак имеет "плюс" и выражение (13.3) для положительной обратной связи остается без изменения:

. (13. 4)

Значение в знаменателе 1-ЯК<1, следовательно, , т.е. положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. Коэффициент передачи петли обратной связи ЯК может стремиться к единице, при этом . Последний случай соответствует самовозбуждению усилителя за счет положительной обратной связи.

В случае отрицательной обратной связи имеет знак "минус" и выражение (13.3) примет следующий вид;

(13.5)

Из выражения (13.5) видно, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления.

Под нестабильностью усиления будем понимать изменение коэффициента усиления во времени, который количественно характеризуется относительным коэффициентом нестабильности

. (13.6)

Коэффициент нестабильности усилителя с отрицательной обратной связью по аналогии с (13.6) можно выразить;

. (13.7)

Определив дифференциал

,

найдем:

. (13.8)

Из выражения (13.8) видно, что коэффициент нестабильности уменьшается в () раз.

13.3 Влияние ООС на входное и выходное сопротивления

На входное сопротивление усилителя не влияет способ снятия напряжения обратной связи в выходной цепи. Поэтому рассмотрим структурные схемы последовательной и параллельной способов подачи во входную цепь.

При последовательном способе передачи имеем (рис.13.1,б)

(13.9)

Таким образом, последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление.

При параллельной обратной связи необходимо рассмотреть входные токи и проводимости (рис.13.1,б)

(13.10)

Проводимость с учетом обратной связи определяется суммой двух проводимостей

;

Rвхоос=Rвх/(1+ ЯК) (13.11)

При отрицательной параллельной обратной связи входная проводимость возрастает, следовательно, входное сопротивление уменьшается. Таким образом, предпочтительнее последовательный способ подачи во входную цепь.

На выходное сопротивление усилителя способ подачи во входную цепь усилителя не влияет, а влияет лишь способ снятия напряжения обратной связи. В случае применения отрицательной обратной связи по напряжению выходное сопротивление Rвыхоос уменьшается

...