книги / Электронные усилители
..pdfНедостатки каскада: значительный ток покоя;
низкий КПД и, следовательно, большая потребляемая мощность от источника питания и мощность рассеяния;
меньше единицы коэффициент усиления по напряжению, что требует мощного предоконечного каскада.
На рис 4.18 Приведена принципиальная схема выходного усили теля генератора ГЗ-112/1. Транзисторы VT2, VT4 включены по схе ме с ОЭ. В качестве активной нагрузки применяется эмиттерный повторитель. Характеристики и параметры каскада с эмиттерным повторителем в качестве динамической нагрузки рассмотрены
.«и
выше (рис. 4.17). Включение транзистора по схеме с ОЭ и динами ческой нагрузкой позволяет получить больший коэффициент уси ления по напряжению, чем в схеме, показанной на рис. 4.17. Для увеличения выходного сигнала по мощности применено параллель ное соединение транзисторов VT2, VT4 и VT1, VT3. Важнейшей осо бенностью усилителя с динамической нагрузкой является компенса ция нелинейных искажений, вносимых активными элементами кас када без введения отрицательной обратной связи (ООС). Уменьше ние нелинейных искажений определяется компенсацией четных гар моник благодаря рациональному выбору режимов транзистора. Ди од VD1 предохраняет схему от пробоя, связанного с насыщением транзисторов при перегрузках каскада входным сигналом. Кон денсаторы С4, С5 и индуктивность L служат для коррекции АЧХ усилителя на высоких частотах. Режим по постоянному току уста навливается резисторами R2, R5. Коэффициент усиления каскада по напряжению
V __ |
K u V T l ' К UVT2 |
+ ^ и к г / |
At/~ |
i + 'W |
- / |
тде K V V T I , К U V T 2 |
— коэффициенты усиления по напряжению |
транзисторов VT1, VT2 соответственно;
Рис. 4.18
Кцут1 — коэффициент усиления транзистора VT1 с учетом влияния сопротивления нагрузки переменному току R„„
Сопротивление нагрузки переменному току Rn~ определяется по формуле
^H~= (^ 4 + ^ 5 R /(^ + ^ 5 + ^ H)!
а коэффициент использования тока коллектора / — по формуле
j —R0/(^4+^й)-
Глубина отрицательной обратной связи
F = l - \ - K ( J V T 2 - \ - K u V T l 4К U V T 2 •
Двухтактные каскады усиления мощности. Для анализа досто инств и недостатков двухтактных схем рассмотрим работу двух тактного трансформаторного каскада. На рис. 4.19, а, б показано образование схемы каскада, которую можно представить как ре зультат последовательного соединения входов и выходов соответ ственно двух одинаковых однотактных каскадов. Схема выполнена На двух транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме с ОЭ. На грузка подключается к каскаду с помощью выходного трансформа тора TV2. К первичным обмоткам трансформатора TV2 подключе ны коллекторы транзисторов VT1, VT2 (начало обмотки обозна чено точкой). Трансформатор TV1 выполняет функцию входного трансформатора, обеспечивающего подачу входного сигнала в противофазе.
Рассмотрим работу в режиме класса А. Режим работы обеспе чивается напряжением смещения, подаваемым на базы транзисто ров VT1, VT2. С помощью резисторов R1 и R2 создается требуемое напряжение смещения на базах транзисторов VT1 и VT2. При от
сутствии |
входных сигналов |
постоянные коллекторные токи тран |
|||
зисторов |
приближенно определяются |
зависимостью / к0 —1,1 1кт. |
|||
Диаграммы токов в схеме приведены |
на рис. 4.19, в. Постоянные |
||||
составляющие токов Протекают по следующим |
цепям: |
верхнее |
|||
плечо — +Е, эмиттер VT1, |
коллектор VT1, L2-1 |
, — Е; |
нижнее |
||
плечо-----\-Е, эмиттер VT2, |
коллектор |
VT2, L 2 - 2 |
, — Е. При пода |
че сигнала указанной полярности на вход входного трансформато ра на вторичной обмотке L i_ 2 трансформатора TV1 действует отрицательная полуволна сигнала, на вторичной обмотке Ь\-\ — положительная полуволна.
Символами «( + )» и «(—)» в схеме обозначены полярности пе ременных напряжений; «+ », «—» — постоянные напряжения источ ника электропитания.
При подаче на базу транзистора VT2 (р—п—р-структуры) от рицательного полуперНода входного сигнала потенциал базы пони жается и, следовательно, увеличиваются токи базы и коллектора. Положительный потенциал на базе транзистора VT1 уменьшает ток базы и коллектора.
Направление прохождения переменных токов в выходных це пях транзисторов определяется знаком потенциала на эмиттере и коллекторе транзистора. Выходную цепь транзисторов следует pac
es
6
сматривать как источник переменного тока, клеммами которого являются коллектор и эмиттер транзистора.
С изменением знака напряжения на базе меняются знаки потенциалов на коллекторе и эмтттере на противоположные и, сле довательно, направление протекания тока на противоположное. При указанном поведении переменных потенциалов переменные токи создают суммарное магнитное поле в выходном трансформаторе, что определяет результирующий выходной ток.
Постоянные токи протекают |
через обмотки L2_ I |
и L2_ 2 |
встречно. При равенстве токов Гк0 |
=Гк0> 2 / к0 =0. |
|
Коллекторный ток можно разложить в ряд Фурье. Для косину соидального сигнала мгновенное значение коллекторного тока
^к1 ==^K0bAcmlCOS (tit-j-/um2COS 2 (I)t "|~‘ Acm3COS 3 CO^ —{—. . ( 4 . 2 )
•где I Kml, / кот2, / Km3— амплитуды тока 1-й, 2-й, 3-й гармоник.
Если сдвиг фазы входных сигналов по току составляет 180°, то вместо tot в формулу (4.2) необходимо подставить (со + я)/. Упрос тив выражение, получим формулу, определяющую мгновенное зна чение коллекторного тока транзистора VT2:
^к/nlCOS W^-|—/um2COS 2 (tit— ^ктзСОЭ 3<i)/-|—...
Поскольку переменные токи относительно средней точки вторично го трансформатора имеют противоположные направления протека ния, результирующий ток
=»^к1 ^ к 2 COS 0 ) / - j - 2 /Km3COS Зо)/-[“ *--?
т. е. четные гармоники в выходном сигнале отсутствуют, а нечет ные увеличиваются вдвое.
Достоинства рассмотренной схемы можно разделить на досто инства двухтактных схем (которые распространяются на все виды двухтактных схем) и индивидуальные, относящиеся к данной схеме.
Достоинства двухтактных схем:
компенсация четных гармоник независимо от режима работы усилительного элемента;
отсутствие постоянного подмагничивания магнитной цепи вы ходного трансформатора, что снижает нелинейные потери, вноси мые трансформатором. Отсутствие подмагничивания обусловлено компенсацией постоянных токов, протекающих по обмоткам транс форматора, и при равной мощности позволяет значительно умень шить габаритные размеры, массу и стоимость трансформатора;
компенсация помех на выходе каскада — пульсаций, наводимых синфазно в плечах оконечного каскада как от источника питания, так и от других источников (например, магнитные наводки);
отсутствие тока основной частоты в источнике питания, что уменьшает обратную паразитную связь;
возможность использовать экономичные режимы классов В, АВ, С и связанное с ней увеличение КПД.
Достоинства данной схемы:
возможность оптимально согласовать сопротивление выхода каскада с нагрузкой;
возможность различных способов включения усилительных элементов; при включении усилительных элементов по схеме с ОЭ возможность получить максимальный коэффициент усиления па мощности.
Недостатки каскада:
большие частотные, фазовые, нелинейные искажения, вносимые трансформатором;
значительное увеличение массы, габаритных размеров, стои мости;
иетехнологичиость изготовления; невозможность применения в интегральной технологии.
В связи с созданием мощных транзисторов с различными типа ми проводимости трансформаторные усилители находят все мень шее применение. В основном их применяют там, где в качестве усилительных элементов используют электровакуумные лампы к мощность выходного сигнала превышает сотни ватт.
Двухтактные бестрансформаторные усилители мощности: Уси литель мощности с бестрансформаторным двухтактным оконечным каскадом является многокаскадным устройством. В общем случае усилитель мощности состоит из входного устройства, предоконеч ного каскада (драйвера) и оконечного каскада. Оконечные каска ды характеризуются схемами включения транзисторов, способом возбуждения оконечного каскада и схемами стабилизации началь ного тока смещения. Принципиальная схема оконечного каскада* возбуждаемого двумя равными по значению и противофазными сигналами, приведена на рис. 4.20. В схеме применены транзисто
ры типа р—п—д, включенные па
|
схеме с ОЭ. Каскад питается от |
|||||||||
|
двух источников |
питания |
с |
об |
||||||
|
щей точкой. Нагрузка |
подключа |
||||||||
|
ется непосредственно к коллекто |
|||||||||
|
ру транзистора |
VT2, |
|
эмиттеру |
||||||
|
VT1 и средней точке |
источника |
||||||||
|
питания. |
Обычно |
транзисторы |
|||||||
|
работают в режиме классов АВУ |
|||||||||
|
В, которые создаются с помощью |
|||||||||
|
резисторов |
R1 |
|
.R4. |
Процесс |
|||||
|
усиления |
сигнала |
происходит в |
|||||||
|
два такта. При |
подаче |
на |
|
вход |
|||||
|
верхнего |
плеча |
отрицательного |
|||||||
|
полупериода |
напряжения |
усили |
|||||||
|
вается |
одна |
полуволна |
сигнала, |
||||||
В это же время положительный полупериод напряжения |
па |
базе |
||||||||
транзистора |
VT2 запирает его. При изменении фаз входных напря |
|||||||||
жений на противоположные транзистор |
VT1 заперт, |
транзистор |
||||||||
VT2 усиливает вторую половину сигнала. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Достоинства схемы: |
|
|
|
|
|
|
снижа |
|||
уменьшаются искажения, вносимые трансформатором; |
||||||||||
ются масса |
и габаритные размеры (указанные достоинства |
отно |
сятся ко всем видам бестрансформаторных каскадов и при рас смотрении последующих каскадов приводиться не будут);
включение трансформаторов по схеме с ОЭ позволяет получить максимальный Кр (коэффициент усиления по мощности);
возможен точный подбор пары транзисторов с одинаковыми па раметрами и одним типом проводимости.
Недостатки схемы:
несимметричность схемы приводит к значительным нелинейным искажениям. Для увеличения симметричности в цепь эмиттеров вводят сопротивления (отрицательную обратную связь);
большое выходное сопротивление, что усложняет согласование схемы с нагрузкой;
необходимость применения фазоинверсного каскада на входе; протекание постоянной составляющей тока через нагрузку при неравенстве / кв1 и I ког Для устранения указанного недостатка
используется схема с однополярным источником питания.
В выпускаемых усилителях схема находит ограниченное приме нение.
Принципиальная схема выходного каскада усилителя мощности на комплементарной паре с параллельным возбуждением приведе на на рис. 4.21. Данный вид усилителя мощности применен в каче стве усилителя фильтра вольтметра В6-10. Каскад состоит из двух транзисторов с одинаковыми параметрами, разной проводимостью (комплементарная пара), включенных по схеме с ОК. При отри цательном входном напряжении транзистор VT1 работает как эмиттерный повторитель, транзистор VT2 заперт (рис. 4.21,а). При положительном напряжении на входе работает нижний транзистор VT2, a VT1 заперт (рис. 4.21,6).
Рнс. -;.2i
Параметры каскада:
амплитуда входного напряжения UBiin. = U»ni + Uбш I коэффициент усиления по напряжению К и =Uum IUBVU =
= (0,5 El/UBWt )< 1 , где | = U,lm/0,5£ — коэффициент использова ния напряжения;
мощность, потребляемая от источника питания Ро~укт Ы)'Е%
амплитудная мощность сигнала на нагрузке Р нт = Ulm/2R
КПД каскада
. |
Рит — |
и ш п к |
Ццт-п |
0,5 £ £ -я |
п \ |
|
* |
Ро |
2/?ц*/ктЯк |
2ЕК |
2F к |
4 |
|
(при £ = 1; rj = тс/4= 0,785); |
|
|
|
|
||
мощность рассеяния на коллекторе Як.рас = ££/4n2/?„. |
|
|||||
Достоинства схемы: |
|
|
|
|
||
симметричность; |
(при отсутствии входного сигнала оба |
тран |
||||
малый ток покоя |
||||||
зистора заперты); |
|
|
|
|
|
|
высокий КПД при использовании режима класса В; |
|
|||||
малое выходное сопротивление; |
|
благодаря |
вклю |
|||
уменьшение уровня нелинейных искажений |
чению транзистора по схеме с ОК; высокое входное сопротивление;
выполнение одновременно функции фазоинверсного каскада; значительно меньшая, чем в однотактных каскадах, мощность
рассеяния на транзисторах и, следовательно, меньшая площадь радиаторов.
Недостатки схемы:
малый коэффициент усиления по напряжению (меньше едини цы);
использование двухполярного источника питания или двух ис точников питания;
необходимость термостабилизации тока покоя транзисторов для предотвращения их пробоя;
необходимость стабилизации напряжения в точке подключения нагрузки, смещение которого приводит к нелинейным искажениям и протеканию постоянного тока через нагрузку;
необходимость защиты транзисторов от короткого замыкания: нагрузки;
в большинстве случаев малое усиление по току; отсутствие достаточного ассортимента комплементарных пар
транзисторов; нелинейные искажения, вызванные переключением плеч каска
да, работающих в режиме класса В.
Принципиальная схема каскада с параллельным возбуждением
и однополярным источником питания приведена на рис. 4.22. Связь
снагрузкой при использовании однополярного источника питания осуществляется с помощью разделительного конденсатора, кото
рый вносит значительные частотные искажения и потерю мощнос ти на нижней рабочей частоте (до 20 %).
Разделительные конденсаторы выбирают из условия удвоенно го напряжения. Они обладают значительной емкостью (десятки
... сотни микрофарад). Отличительная особенность принципа рабо ты каскада с разделительной емкостью состоит в том, что при от рицательном полупериоде входного напряжения ток коллектора-
шротекает в верхнем плече по цепи + £ , R n , C l, —Е, заряжая кон денсатор до напряжения Е/2, так как транзистор VT2 заперт. При подаче положительного полупериода транзистор VT1 заперт и функ цию источника питания выполняет разделительная емкость с напря жением £/ 2.
На рис. 4.23 приведена принципиальная схема, позволяющая построить усилитель с выходными транзисторами одного типа и без дополнительного фазоинверсного каскада. Инвертирование осу ществляет маломощный транзистор VT2. Схема обладает значи тельной несимметричностью верхнего и нижнего плеч.
Для увеличения коэффициента усиления по току в усилителях используют составные транзисторы по схеме Дарлингтона (на транзисторах одного типа проводимости) и по схеме Шиклои (на транзисторах с разной проводимостью). Комбинирование схем сос тавных транзисторов позволяет создать два типа усилителей мощ ности на составных транзисторах: комплементарный выходной каскад (рис. 4.24, а, б) и квазикомплементарный выходной каскад (рис. 4.24,в). Схема, приведенная на рис. 4.24,а, характеризуется
меньшим напряжением |
смещения между |
базами |
транзисторов |
|||
VT1, |
VT2 (U cvTi GVT2 |
бэуп |
+ U 6 SVT2 ) |
и соответственно мень |
||
шей температурной нестабильностью, чем |
схема на |
рис. 4.24,6, |
||||
где |
U6 VT1 6 VT2 |
=Ue3VTi +Обэут2 + Uбэутз + Обэут4 |
Сопротивле |
|||
ния |
Ri, R2 |
(рис. 4.24, б) |
предотвращают смещение тран |
зисторов в область проводимости из-за токов утечки транзисторов. Сопротивления резисторов выбираются такими, чтобы постоянные токи, протекающие через них, не создавали падения напряжения большего, чем требуемое напряжение смещения на базах транзис торов VT3 и VT4. Максимальное значение сопротивления резисто ра ограничено уменьшением скорости нарастания выходного на пряжения. Рассмотрим причину ограничения быстродействия схе мы и его последствие.
Транзистор VT1 |
(рис. 4.24,6) включен по схеме с ОК и, следо |
вательно, обладает |
малым выходным сопротивлением. Протекаю- |
- Е + |
Е |
Рис. 4.22 |
Рис. 4.23 |
Рис. 4.24
щий через VT1 ток быстро заряжает входную емкость транзистора VT3 и открывает его. При изменении напряжения сигнала в режи ме класса В эту емкость необходимо разрядить в основном через резисторы Rl\ R2, причем чем номинальное значение сопротивле ния резистора выше, тем скорость разряда меньше. В результате транзисторы VT3 и VT4 оказываются открытыми, что приводит к появлению сквозного тока. Сквозной ток резко увеличивает мощ ность рассеяния, искажает форму сигнала. Обычно номиналь ные значения сопротивлений Ru R2 выбирают в пределах сотен ом.
При использовании режима класса В в двухтактных каскадах в области малых токов возникают так называемые переходные ис-