книги / Электронные усилители
..pdfРйс. 4.9
V *.
Межкаскадный и входной трансформаторы работают в одинако вых условиях, так как нагрузкой в обоих случаях является вход ная цепь транзистора. Поэтому анализ работы трансформаторного Каскада и трансформаторной входной цепи можно объединить.
Принципиальная схема промежуточного трансформаторного ка скада приведена на рис. 4.11,
Напряжение питания на коллектор транзистора в трансформа торном каскаде подается через первичную обмотку трансформато ра. При этом постоянная составляющая коллекторного тока не создает заметного падения напряжения на малом активном со противлении первичной обмотки. Поэтому коллекторное напряже ние Uк0 можно считать почти равным напряжению источника пи
тания, т. е. Um « Ек
Отсутствие потери напряжения в цепи питания является до стоинством схемы. Но постоянная составляющая коллекторного тока / к0 создает постоянное подмагннчивание сердечника транс форматора, что при насыщении сердечника ведет к увеличению не линейных искажений.
Увеличение размеров сердечника позволило бы устранить этот недостаток. Однако во многих случаях оно оказывается невозмож ным.
С помощью трансформатора напряжение смещения подается на базу транзистора последующего каскада последовательно с входным сигналом. Поэтому делитель напряжения смещения не шунтирует вход транзистора последующего каскада и выход пре дыдущего.
Достоинством трансформаторного каскада является то, что под бором соответствующего коэффициента трансформации можно обе-
^печить Наивыгоднейшую нагрузку транзистора и получить при
%ом наибольшие напряжение и мощность сигнала при достаточном
Кпд.
Эквивалентная схема трансформаторного усилительного каска да приведена на рис. 4.12. Она состоит из эквивалентных схем ис точника сигнала, трансформатора, нагрузки (рис. 4.12,а).
На этой схеме Е нсТ— ЭДС источника сигнала, R llCT — внут реннее сопротивление источника, г\ и г2 — активные сопротивления
Первичной и вторичной обмоток трансформатора, Ls\ |
и Lsz —• |
|||
Индуктивности |
рассеяния |
первичной |
м вторичной обмоток, L\ — |
|
Индуктивность |
первичной |
обмотки, |
гп — сопротивление |
потерь в |
Сердечнике, Стр |
— междувитковая емкость трансформатора, R 2 и |
С2 — сопротивление и емкость, нагружающие трансформатор. Эту Схему можно упростить. Пренебрегая реактивностями схемы на средних частотах, а также L Si , Ls2 >Стр и С2 вследствие малых
Их значений, получим эквивалентную схему для нижних частот (рис. 4.12, в) .
В области верхних частот сказывается влияние Ls и С0 (рис. 4.12, в,г).
Характеристики трансформаторного каскада. В области нижИих частот характеристики трансформаторного каскада — АЧХ и ФЧХ — определяются влиянием индуктивности первичной обмотки трансформатора L\. С понижением частоты сигнала сопротивление X i = a t уменьшается. При этом ток от источника сигнала возра стает, потери напряжения на и Г\ увеличиваются и выходное напряжение уменьшается. В результате АЧХ в области нижних ча стот имеет «завал». Причем, «завал» будет тем больше, чем мень ше Lb так как чем меньше индуктивность Lh тем меньше ее сопро тивление и тем больше она шунтирует R Экв.н •
Частотные искажения в области нижних частот определяются как и в резисторном каскаде:
М а 1+ ( l / t0HT ! l ) '
где тн= L,[/R3Ka.u •
Следовательно, для уменьшения частотных искажений в обла сти нижних частот надо увеличивать индуктивность первичной об мотки трансформатора путем увеличения количества витков ее.
Частотные искажения в области верхних частот определяются
влиянием индуктивности рассеяния L$ |
и емкости Со: |
M d= V 1 + К тв)' ? |
|
где Тв = С 0R' экв* R 9кв ** R вх.сл I (Rr + |
Т\ + г2) . |
С увеличением частоты возрастают потери напряжения на Ls- Поэтому выходное напряжение уменьшается. Шунтирующее дейст вие емкости Со с увеличением частоты усиливается, что также при водит к уменьшению выходного напряжения сигнала.
Влияние Ls и С0 на спад частотной характеристики с повыше-: нием частоты начинает сказываться не одновременно.
в
в
Рис. 4.12
Частотные искажения, вызываемые емкостью Сд, определяются по формуле
м 3(0)
где - П( с) = Cj RSKD(C)
Спад АЧХ, вызванный индуктивностью рассеяния, определяет ся по той же формуле, но т ^ Ls ) —L s !L 3KDL
На какой-то частоте Ls и С0 образуют колебательный контур, в результате чего АЧХ имеет выброс А, как показано на рис. 4.13.
Для уменьшения частотных искажений в области верхних частот надо уменьшать индуктивность рассеяния Ls путем секционирова ния обмоток трансформатора и чередования секций первичной и вторичной обмоток.
влияние L/ |
А |
Резонанс |
Что касается амплитудно-фазовой характеристики, то сдвиг по фазе между выходным и входным напряжением в области нижних частот определяется индуктивностью L\ и сопротивлением Я„ст. Угол сдвига при этом положительный. Он увеличивается с пониже нием частоты. На верхних частотах угол сдвига по фазе ф опре деляется Ls и С0. В этом случае отрицательный угол сдвига уве личивается с повышением частоты.
Расчет каскада предварительного усиления напряжения звуковой частоты
И с х о д н ы е |
д а н н ые : напряжение источника |
питания £ к; |
диапазон уси |
|||||
ливаемых частот /н ... /■; амплитуда переменной составляющей |
тока |
на входе |
||||||
последующего каскада /вхтсл; |
входное |
сопротивление |
последующего |
каскада |
||||
Явх.сл; допустимые значения коэффициентов частотных искажений М„ и М |
||||||||
П о р я д о к р а с ч е т а |
при* включении транзистора с общим эмиттером, |
|||||||
1. |
Выбираем схему каскада |
|||||||
так как она обладает наибольшим усилением (Я21Э). |
|
|
|
|
||||
2. |
Для выбора типа транзистора определяем: |
и |
эмиттером транзистора |
|||||
а) |
допустимое |
напряжение |
между |
коллектором |
ИЗ условия £/кэтах>5к; |
|
|
|
|
|
|||
„ б) |
ДОПУСТИМЫЙ ТОК коллектора / к т а х > (1,5 . . . 2,0) |
/ тахсл, |
ГДе /тахсл |
— ВХОД |
||||
НОЙ ток последующего каскада. |
|
|
|
|
|
|||
|
По |
ЗНачеНИЯМ |
//кэ тах ^/^к» |
/к т а х ^ |
(1,5 . . . 2,0) |
/тахсл |
И f n ^ f e |
выбираем |
тип транзистора. |
|
покоя в цепи коллектора /кО ^ 1 Л /max сл* |
||||||
|
3. Определяем значение тока |
|||||||
|
4. Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора R K. Значение RK дол |
|||||||
ж н о |
удовлетворять двум требованиям. С одной стороны, RK должно быть г о р а з |
|||||||
до |
больше з н а ч е н и я |
входного сопротивления последующего |
каскада. С другой |
|||||
с т о р о н ы , R K д о л ж н о |
б ы т ь поменьше, так |
как н а нем происходит потеря посто |
||||||
я н н о г о |
н а п р я ж е н и я |
источника питария. |
С учетом этих требований значение RK |
|||||
о п р е д е л я е т с я т а к : |
0 ,4 £ к/ / к0. |
|
|
|
|
|
5. Определяем сопротивление резистора R3 в цепи термостабилизации:
£к//ко.
6.Находим емкость конденсатора: Сэ= 10в/2 я ^ н0 ,1 # э, где fB выражается в
герцах, С9— в микрофарадах, Rs — в омах.
(В транзисторных усилителях звуковых частот обычно применяют электро литические конденсаторы типов К50-6 . . . К50-15 и др.).
7. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в ре
жиме покоя: £/кэО=£к—/коЯк—/эоЯэ.
8. Находим положение рабочей точки покоя в семействе выходных статиче
ских |
характеристик |
транзистора |
по |
значениям |
Скэо |
и /ко, |
как |
показано на |
||
рис. 4.3. Здесь определяем /бо- |
|
резисторов |
делителя в цепи |
базы Ri и R t. |
||||||
9. |
Определяем |
сопротивления |
||||||||
Падение напряжения |
на сопротивлении резистора |
фильтра |
R$ |
принимаем |
||||||
АГ/лф(0,1 ... 0,2) Е к. |
Напряжение, подводимое к делителю, U д |
|
—Л£/дф. |
|||||||
Значение тока >в цепи делителя выбираем из условия: / д = |
(2...5)/бо* |
|||||||||
Вычисляем: R {= (Сд—M J RB— Свэо)/(7бо+/д) ; /?2= |
(Д ^дэ + Сбэо)//д- |
|||||||||
Падение напряжения на резисторе /?э принимаем A[/K3«0,1EK- |
|
условие: |
||||||||
Выбирая резистор |
R 2, |
учитываем, |
чтобы |
выполнялось |
/?2= (5 ... 10) /?вх10. Рассчитываем элементы развязывающего фильтра: /?ф=Л£/яф/(/д+
+/ко); |
Сф= (10 ... 50) // н^?ф- |
11. |
Определяем амплитудное значение тока на выходе каскада: / тахда |
~1,2/щах сл/Л21Эmin-
12.Находим коэффициент усиления каскада по напряжению на средних
частотах:
^ и с р — ^ 2 1эгтпп Я эк в . в ы х ^ в х »
где R BX — входное сопротивление рассчитываемого каскада; Яэкв.вых — эквива
лентное |
выходное |
сопротивление |
рассчитываемого |
каскада; |
|
R экв.вых= |
|||||
==/?к^2сл^?вх.сл/ (^2сл/?вх:сл"Ь |
^ ^ |
вх.сл“Ь ^ к^ 2 сл ) • |
делителя |
последующего |
|||||||
Здесь |
R 2 сл — сопротивление резистора R2 в цепи |
||||||||||
каскада. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13. Вычисляем минимальное значение коэффициента усиления каскада по |
|||||||||||
мощности K p = !i2i3 т тК и ср или в децибелах /Сядб = 10 1gKP . |
|
|
|
||||||||
14. Определяем емкость разделительного конденсатора: |
|
|
|
||||||||
|
|
|
Ср= |
10в/2я/„(/?экв-вых+ Л ВХ1СЛ ) ] / м F T |
|
|
|
||||
Здесь Ср выражается в микрофарадах, / в — в герцах, R 9кв.вых |
и /?„х.сл — |
в |
|||||||||
омах, М п задается. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
15. Коэффициент частотных искажений каскада на верхних частотах диапа |
|||||||||||
зона |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М |
» - ] / ‘И -(2я /вй внв.8ЫХС§) |
|
|
|
|
||
где |
С0 |
— эквивалентная |
емкость, |
нагружающая |
рассчитываемый каскад |
||||||
(Со = |
Скэ-|-Сбэ.сл) ■ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Расчет усилительного каскада на полевом транзисторе |
|
|
|
||||||
И с х о д н ы е |
д а н н ые : |
значение коэффициента |
усиления |
каскада |
по |
||||||
напряжению Ки\ диапазон усиливаемых частот |
допустимые |
частотные |
|||||||||
искажения М п и M D; напряжение источника питания Е к. |
|
|
элементов |
||||||||
Н е о б х о д и м о |
о п р е д е л и т ь : |
тип транзистора, параметры |
|||||||||
схемы каскада, |
коэффициент усиления каскада на средней частоте диапазона. |
|
|||||||||
П о р я д о к р а с ч е т а |
|
|
по заданным значениям коэффициента |
усиле |
|||||||
1. |
Тип транзистора выбираем |
||||||||||
ния каскада /Си и напряжения источника питания Е л. |
|
|
|
|
Для этого определяем: |
(0,1 ... 0,3) S min/g2 2 ii, где 5 min |
— минимальное |
||
значение крутизны стоко-затворной характеристики транзистора; |
g 22n — актив |
|||
ная составляющая выходной |
проводимости в закрытом состоянии транзистора |
|||
по схеме с общим истоком. |
превышать заданное |
значение |
напряжения источ |
|
Значение С/си шах должно |
||||
ника питания Е к: UCKmax > £ к. |
|
нагрузки |
усилительного кас |
|
2. Определяем эквивалентное сопротивление |
||||
када: |
|
|
|
|
#экв= VМ 2В — 1 /2я/вс0 |
, где Со— С2 2 и1 4 -Сци2 “Ь^м, где CMHI •— выходная ем |
кость полевого транзистора |
рассчитываемого каскада; Сци2 — входная емкость |
транзистора тюследующего каскада; См — емкость монтажа. Обычно значение Со составляет 30 ... 50 пФ.
3. Находим сопротивление нагрузки в цепи стока: # 2=/?экв/(1—&2 2 н#экв-) Если R 2 окажется отрицательным, то это означает, что при любом сопротив
лении нагрузки цепи стока коэффициент частотных искажений в области верх них частот не будет превышать заданное значение.
4.Выбираем сопротивление /?зи2= 300 . .. 500 кОм.
5.Определяем емкость разделительного конденсатора:
C1> l/2 n f,^3„2]/ М 2- \
6. Строим нагрузочную прямую в семействе стоковых характеристик тран
зистора. Для этого на оси |
абсцисс откладываем значение £ к, |
а на |
оси орди |
|
нат — значение тока стока |
JC= E K/RC. Через точки Е к и / с проводим |
прямую. |
||
На нагрузочной п-рямой выбираем |
рабочую точку так, чтобы |
нелинейные иска |
||
жения были минимальные. |
|
/?„= t/3ll0/ / c0. |
|
|
7. Находим значение резистора |
|
|
8.Определяем емкость конденсатора: CH>-100/2nfuR H.
9.Вычисляем коэффициент усиления каскада по напряжению на средней
■частоте: |
Kucp=S0/(g22n+ \/R 2+ l/R\), где 5 0 — значение крутизны |
харак |
теристики |
полевого транзистора в рабочей точке. Значение S0 определяем |
в се |
мействе выходных характеристик транзистора: S o = A /c/A£/aii.
Коэффициент усиления по напряжению резисторного усилителя на полевом транзисторе К ис? составляет порядка 5 ... 10.
4.2. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ
Каскады усиления мощности являются выходными (оконечны ми) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка. Они предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности.
Выходные каскады классифицируются по ряду признаков: способу согласования усилителя с нагрузкой — трансформатор
ные и бестрансформаторные; режиму работы усилительных элементов — классов Л, В, С,
АВ, D\
способу усиления -- однотактные и двухтактные.
Оценить схемы усилителей мощности можно по следующим па раметрам и характеристикам:
мощности сигнала, отдаваемой в нагрузку; энергетическим характеристикам усилителя;
результирующему коэффициенту усиления по току и напряже нию;
коэффициентам общих гармонических и интермодуляционных -статических и динамических искажений;
коэффициентам частотных искажений; входным и выходным параметрам.
Кроме того, следует определить техническую сложность и эко номическую целесообразность выполнения схемы.
Усилитель мощности с трансформаторным включением нагрузки. Принципиальная схема усилителя мощности с трансформаторным включением нагрузки приведена на рис. 4.14. Транзистор VT ра
+ Е0 |
ботает в режиме класса А\ |
|
в коллекторную |
цепь вклю |
|
|
чена первичная обмотка вы |
|
|
ходного трансформатора TV |
|
|
Недостатки каскада: |
|
|
низкий КПД из-за рабо |
|
|
ты в режиме класса А и при |
|
|
менения трансформатора; |
|
|
частотные |
искажения, |
|
вносимые, в основном, транс |
|
|
форматором; |
значитель |
|
прохождение |
|
|
ного постоянного тока через |
|
|
первичную обмотку транс |
|
|
форматора; |
|
невозможность реализации усилителя в интегральном испол нении;
повышенные размеры и стоимость в сравнении с бестрансформаторным каскадом.
Достоинства каскада:
возможность получить максимальный коэффициент усиления по мощности благодаря включению транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ);
возможность оптимального согласования выходного сопротив ления каскада с сопротивлением нагрузки.
Расчетные параметры каскада следующие. Сопротивление нагрузки по переменному сигналу
Ru~= л 2(Ян+ г 2)+ /Ч ~ # нл*,
где Г\, г2— активные сопротивления соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора; п — коэффициент трансфор мации.
Выходная мощность каскада, приведенного к выходу транзи стора
Р вы*.К= Л 1/ 7)тр> |
(4 .1 ) ' |
где г) тр — КПД трансформатора (г^тр = 0,8...0,95); для |
синусои |
дального сигнала |
|
р вы х.к = UKmIKJ 2 = U l J 2 R ^ = UlJ2n*Rn
где UKm — амплитуда коллекторного напряжения; I кт— амплиту да коллекторного тока.
Откуда с учетом формулы (4.1)
П = ] /ГЩип№Ръъа..к R u ^кт^тр/ 2Рн^н
КПД коллекторной цепа!
% —Р вых.к /Р о = ^ к т А < т /2 /к О , -Ек = 0 ,5 / • ? ,
где Ро — мощность, потребляемая от источника питания; / к9 — ток покоя транзистора; Е к— напряжение источника питания; / = /кот/
Дко — коэффициент |
использования |
тока |
коллектора; £ = |
С/к / |
|
IUко — коэффициент использования коллекторного напряжения. |
|||||
Общий КПД т| = т|к-*т| тр • Реальные |
значения КПД |
транзи |
|||
сторных |
каскадов составляют 0,35 |
...0,45; |
с использованием |
усили |
|
тельных |
ламп — 0,15... |
0,25. |
|
|
|
Бестрансформаторные однотактные каскады. Принципиальная схема бестрансформаторного однотактного каскада, включенного
по |
схеме с ОЭ, приведена на |
рис. 4.15. Сопротивление |
нагрузки |
|
R н |
в этой схеме непосредственно включено |
в цепь коллекторной |
||
нагрузки. |
деталей в |
схеме, более |
широкая |
|
|
Отсутствие дополнительных |
полоса пропускания, чем в трансформаторных каскадах, отсутст вие потери мощности в согласующем устройстве не могут компен сировать недостатков схемы.
Недостатки схемы:
отсутствие возможности согласовать по сопротивлению Rn вы ходное сопротивление транзистора, что уменьшает коэффициент
использования тока или напряжения |
и, соответственно, г|к ; |
прохождение постоянного тока / к0 |
через нагрузку; |
постоянный потенциал на нагрузке по отношению к общему проводу.
Вреальных транзисторных каскадах максимальный КПД со ставляет порядка 20 %, в ламповых каскадах - 12 %.
Визмерительных приборах указанный тип усилителя находит ограниченное применение.
На рис. 4.16 приведена принципиальная схема выходного каска да генератора Г4-106. Отличительная особенность схемы состоит в том, что вводится дополнительная разделительная емкость СЗ, к которой подключается внешняя нагрузка. Поэтому постоянный по тенциал на нагрузке равен нулю. Параллельное включение тран зисторов VT1 и VT2 в схеме предназначено для увеличения мощ ности, отдаваемой в нагрузку. Такое соединение можно использо вать как в однотактных, так и в двухтактных каскадах. Расчет ка скада с двумя транзисторами аналогичен расчету каскада на од ном транзисторе. Необходимо только учесть, что выходной ток должен распределяться равномерно между транзисторами, вход ное и выходное сопротивление каскада должно быть в 2 раза мень ше соответственно входного и выходного сопротивления одного
транзистора. Для компенсации разбросов параметров схемы в эмиттерную цепь каждого транзистора вводится сопротивление местной обратной связи. Разброс параметров может привести к превышению допустимого значения мощности рассеяния одного транзистора и несовпадению линейных участков проходной харак теристики.
Более широко применяется в качестве выходного каскада од нотактный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 4.17). Примером может служить выход ной каскад усилителя УЗ-29, работающего в диапазоне частот 50 ГЦ...20 МГц.
Параметры каскада:
коэффициент усиления по напряжению Ки = гтттотн-п— г *>
|
|
|
|
1"Г 1/Ь{1<э\\Гк э ) |
||
коэффициент |
усиления |
по току при |
согласованной |
мощности |
||
К / 51 0,5 • h 21э ; |
нагрузки |
при согласовании |
по |
мощности RH ^ |
||
сопротивление |
||||||
= Р 9 ; |
|
|
|
|
э ; |
|
максимальная выходная мощность РтйК = E2/8R |
|
|||||
коэффициент полезного действия ц = Р птах /Ро = 6,25 %; |
||||||
максимальная |
мощность |
рассеяния |
на |
транзисторе |
Р рас = |
= &Р ншах «
Достоинства каскада:
возможность подбирать значение выходного сопротивления для оптимального согласования сопротивления выхода каскада с сопро тивлением нагрузки по мощности или по сопротивлению. Следует отметить, что согласование по сопротивлению и согласование по мощности не адекватны. В бытовых усилителях низкой частоты, где значение выходного сопротивления не устанавливается, опти мальным является условие /?иеТ «С Rn , при котором отсутствуют потери сигнала в выходной цепи, улучшается демпфирование сиг нала. В измерительных усилителях значение выходного сопротив ления определяется рядом стандартных выходных сопротивлений 5; 50; 75; 600 Ом, 10 кОм. Для согласования по сопротивлению на выход усилителя подключают сопротивление R, значение которого определяют по формуле
РЯст Яоых>
где R CT — стандартное выходное сопротивление, R BU] — выходное сопротивление каскада;
отсутствие постоянного потенциала на выходе относительно об щего провода;
малые нелинейные искажения; широкая полоса пропускания усилителя; высокое входное сопротивление.