книги / Элементы расчета полупроводниковых усилителей
..pdfТиповая схема однотранзисторного диапазонного РУ по схеме ОЭ
приведена на рис.48. Назначение элементов Ш , RZ , Из , Яф ,
Ci , CZ Сt Сф такое же, как и в апериодических усилителях.
Полное входное сопротивление одиночного параллельного коле бательного контура, питаемого идеалышм генератором тока, опре деляется из выражения
|
|
|
|
т _ Яре* |
|
|
|
|
|
|
'V* |
’ |
|
где Rpg3= |
|^г - |
|
Q |
- эквивалентное сопротивление конту |
||
ра при резонансе; |
п _ |
(£QL>K |
JL - добротность контура; ъ - |
|||
|
|
Z |
||||
|
|
|
|
~ yfcj » |
|
|
полное сопротивление |
потерь; |
— - обоб |
||||
щенная расстройка. |
|
|
|
|
|
|
Уравнение нормированной резонансной кривой имеет вид
|
|
Ш ш |
Ж |
= „ / _ ■ |
|
|
|
|
Ярез |
I/4+ Рг |
|
Отсюда |
следует, |
что при |
± / |
полоса пропускания контура по |
|
уровню |
-L- = 0,707 (3 дБ) |
равна |
в |
. |
|
|
"с |
»■ |
|
|
|
Селективные свойства контура оценивают по величине коэффици
ента селективности Se = |
//+ $ г |
|
|
|
|
|
|
В реальных усилителях выходное сопротивление уоилительного |
|||||
элемента может быть соизмеримо о величиной |
Rpe3 , в результате |
|||||
чего эквивалентная добротность контура уменьшается |
вк — » |
|||||
где |
QK - конструктивная добротность контура; Rr |
- внутреннее |
||||
сопротивление источника сигнала. |
|
|
|
|
||
|
Аналогичный эффект имеет место при нагружении контура любым |
|||||
внешним сопротивлением, |
например, |
следующего каскада. В РУ |
||||
на биполярных транзисторах (схема ОЭ) Ф х * |
0,5 -2 кОм, |
в |
||||
вноокодобротяых контуров лежит в диапазоне |
10-50 кОм. Обычно |
|||||
допускается снижение значения |
на ( 1 0 - 3 0 по |
сравнению |
||||
с |
0К . Для согласования контура с низкоомной нагрузкой широко |
|||||
применяется так называемое неполное включение контура (рис.49),
позволяющее в значитель ных пределах варьировать величину его входного со противления.
В этом случае эквива лентное сопротивление кон тура, приведенное к точкам А и В, определяется из формулы
*реъАВ= А 'рез
где Р - коэффициент включения контура.
Для охемы (рис.49,а)/**-^- , лля схемы (рис. 49,6)/?*^-^-- •
Полная емкость контура Ск ~ Аналогично осуществляется
неполное включение контура оо стороны нагрузки. При неполном включении эквивалентная добротность контура определяется из вы ражения
|
|
^ ^рез |
Rr R" |
|
|
|
|
где р4 и |
fy |
- коэффициенты включения контура со стороны источ |
|||||
ника и нагрузки соответственно. |
|
|
|
|
|
||
Так, |
если сопротивление Rr принять равным выходному сопро |
||||||
тивлению транзистора для схемы ОЭ |
R ^ Z * = ЮкОм, RH—Rg^ |
, |
|||||
LK = 80 |
мкГн, Ск = 500 пФ и QK = |
100, |
то при полном |
включении |
|||
контура его |
эквивалентная добротность |
составит в'=— |
•§■— |
~22. |
|||
При таком значении (яэ РУ никакими селективными свойствами обладать не будет. При неполном включении этого же контура при
р4 9 0,15 та.Рг - 0.08 эквивалентная добротность Q* равна 75. В области относительно (для данного типа транзистора) невы
соких частот коэффициент усиления РУ
R&x
Расчетное значение К0 должно удовлетворять неравенству
К0£ Ку/пах
где Куток ~ максимальное значение коэффициента усиления, при котором РУ сохраняет устойчивость.
Причину самовозбуждения одиночного РУ (рио.50,а) можно пока
зать с помощью векторной диаграммы (рис.50,б).
Под действием входного сигнала Ugx возникает переменная
составляющая тока коллектора 1К . На частоте, соответствующей
jj а -I, |
сопротивление выходного контура носит |
ищрютивный ха- |
|
рактер, |
в результате чего вектор ик опережает |
1^ |
на 45 .Пол |
ное сопротивление делителя из проходной емкости |
и сопро |
||
тивление |
имеет почти чисто емкостный характер, |
так как CKg - |
||
|
• |
|
• |
|
малая величина, следовательно, 1С^ |
опережает |
на 90°, а на |
||
пряжение |
%g**2t 1Ск$ опережает ток I^g |
на 45°. |
|
|
Рис.50
Таким образом, напряжения l)cg и Ugx совпадают по фазе. На достаточно высокой частоте или при большом коэффициенте усиле ния эти напряжения могут сравняться по величине, что приведет к самовозбуждению РУ. Коэффициент К^тщ для каскадов ОЭ, (Ж с учетом запаса устойчивости определяется как
* ~ - ' * * * f g 5 7
Если расчетное значение Кв >Кута% , то для сохранения устой чивости необходимо уменьшить коэффициенты включения контура или использовать каскодные РУ, позволяющие на тех же транзисторах получить устойчивое усиление в 3-5 раз больше.
Двухтактные усилители мощности
Усилитель мощности (УМ),, или оконечный усилитель, должен обеспечивать в заданной нагрузке RH определенную, часто значи тельную мощность Рн , в результате чего транзисторы работают при больших по величине и изменяющихся в широком диапазоне то ках и напряжениях. Поэтому для УМ по сравнению с предоконечны-
34
ми каскадами очень важными оказывается такие параметры, как коэффициент полезного дейотвия и коэффициент гармоник Кг .‘В маломощных УМ (до одного Вт) ограниченное применение находят однотактные каскады с трансформаторным выходом, во многом ана логичные трансформаторным каскадам усиления напряжения. При
Рн > 1Вт наибольшее распространение имеют двухтактные каскады, работающие в классах В или АВ. Как уже отмечалооь, использова ние трансформатора позволяет привести в соответствие фактическое и оптимальное для данных транзисторов значения нагрузок. В уси лителях о мощностью 1-50 Вт, работающих на ниэкоомную нагрузку 4-20 Ом, выбором соответствующего питания можно обеспечить ре жим, когда требупцееоя значение коэффициента трансформации рав но единице. Следовательно, его можно исключить, существенно уменьшив при этом габариты усилителя, частотные и нелинейные искажения f3,7,8,I2j.
Рассмотрим кратко энергетические показатели двухтактного траноформаторного (с параллельным питанием) УМ, работающего в наиболее распространенном классе АВ.
От источника питания УМ потребляет мощность
где 1ср - среднее за период значение потребляемого тока; 10 - ток покоя, выбираемый в пределах (0,02-0,1) 1ктвя .
Выходная мощность Р1ш и коэффициент полезного действия определяется как
где <f=— — |
— |
---- коэффициент использования транзистора по на- |
ч*т + Уест - |
||
пряжению; |
ff = —isa - коэффициент использования травзио^ора |
|
по таку; |
я |
*кт+»1е |
- КПД траноформатора. |
||
- |
Тр |
|
При использовании клаоса АВ обычно удается принять компро
миссное решение, когда КПД не меньше 60-65?, а коэффициент гар моник не превышает 8-12?.
Для определения теплового режима работы оконечных транзисто
ров необходимо знать величину мощности, |
расоеиваемой на коллек |
||||||
торе одного транзистора: |
|
|
г |
||||
|
PK.cps т(Рп -р»шХ)= Вк |
{ ^ |
+^ ~ |
^Т~R* > |
|||
где Ряер |
- среднее за период значение рассеиваемой мощности. |
||||||
. При токе I' |
|
«= /ff |
рассеиваемая мощность достигает макси- |
||||
|
кгп |
|
|
|
|
|
|
мального |
значения |
|
|
|
|
||
а' |
ЯЩ |
+ с т_ |
Укт |
. с |
г |
ZPsux . р т |
|
к-Ч> |
|
* 1°~ ЪгГ,1% |
Ьк1° |
C*L° |
|||
Если приравнять P'KCfi —0>&Рктак, где Рктах - допустимая мощ ность, рассеиваемая коллектором (параметр транзистора), получим условие для выбора транзистора по мощности
р |
Ы г . |
Кmax |
8 |
Наксимальное мгновенное значение мощности рк может значи тельно превышать Ркер , что при малой тепловой инерционности переходов может приЕеоти к их недопустимому перегреву. Соотно шение между Рвш и Рктт в этом случае определяется из1 плодущего выражения:
Рк -У кСк*(Рх~ U*m COS (ot)(I0 + 1Ш COS Cot)~
* 4 r A (1~COS (ot)*Im (cos cot - cos1cot)]
При (cot)1— azccos |
£ |
^достигает максимального зна |
чения. |
|
|
a |
. t * t . ) |
|
Если ограничить |
величиной 0,8 Pmeft то получим более |
|
жесткое условие для выбора транзистора: |
||
Полученные результаты справедливы и для беотраноформаторных |
||
усилителей мощности |
(БУМ). |
|
Наиболее оптимально с точки зрения симметрии и простоты структуры БУМ выполняется с использованием комплементарных(ндеытичных по всем свойствам и параметрам, но различной проводимо сти) транзиоторов. Упрощенная схема одного из возможных вариан тов реализации подобных БУМ приведена на рис.51.
Рис.51
Собственно оконечный каскад на транзисторах ТЗ' , Т5* выпол
нен по схеме эмиттерного повторителя, что позволяет снизить вы
ходное сопротивление и величину Кг Каскады предварительного
усиления по схеме ОЭ выполнены на транзисторах Т2 и Щ Осо бенностью усилителя является отсутствие фазоинверсного каскада, функцию которого выполняют эмиттерные переходы транзисторов ТЗ' ГЗ* Использование гальванической межкаскадной связи позволяет получить весьма равномерную АЧХ в области низких частот. Уста новка начального режима по постоянному току в данном варианте БУМ заключается в выборе (с помощью делителя R! R2 , R3 ) на пряжения UgТ1 лго , при котором обеспечивается на выходе усили-
теля в режиме покоя потенциал, близкий к нулю. Так как базы транзисторов ТЗ' и ТЗ" соединены, ток покоя оконечного каскада равен практически нулю. Стабилизация режима работы по постоян ному току воего уоилитедя осуществляется с помощью глубокой об ратной связи типа ООСНН, осуществляемой через резистор RS , в результате чего потенциал выходной точки автоматически поддержи вается около нулевого значения. По переменному току уоилитель также охвачен глубокой ООСНН, величина которой определяется ко- «ффициентом передачи делителя из резисторов R5 , R6 .
Приближенное значение малосигнального коэффициента усиления без 00С (резистор5 = 0) может быть определено из выражения
кА А А ******
ц,*Ъ 'п № + А **)(*+ + Ъ ж п )
а при условии Ji^RH и R4 » f a гг
к _ А А А **
“*1,Т<
иможет достигать значений порядка 300-1000.
Наиболее желательно применение о большими значениями fi тран-
ажсторов |
оконечного каскада, так как при работе на низкоомную |
|
АГрузку |
величина fa твяж З е— |
может быть соизмерима |
с величиной тока покоя коллектора предоконечного транзиотора
TZ . Протекая через R7 , ток //, ограничивает максимальное значение неискажённого переменного напряжения на выходе второго каскада. 'Некоторое приближение к режиму полного возбуждения эыиттерного повторителя может быть достигнуто лишь при условии
R7«(/33 + 1)RH . У транзисторов средней и большой мощности га рантированное значение коэффициента передачи тока базы часто не превышает значения 40-50 и может быть еще меньше при токах
1К = 2-5 А. Поэтому выполнение последнего неравенства может при вести к значительному увеличению тока покоя транзистора TZ и
низкому КЦЦ воего усилителя в целом.
Применение в качестве транзистора ТЗ составных транзисторов (сдвоенных и даже строенных) с эквивалентными коэффициентами передачи тока (5—10)•I03 позволяет существенно снизить недоста ток схемы. Другой недостаток схемы, заключающийся в невозмож ности полного возбуждения оконечного каскада {Xv< i ) от резис тивного предоконечного, устраняется в значительной степени пу тем введения местной положительной обратной связи (элементы R7 СЪ , рио.52).
Резистор R7 через конденсатор СЗ подключается параллельно
RH , а так как сдвоенный эмиттерный повторитель на транзисто рах ТЗ', Т4', ТЗ" , Г4' является неинвертирулщим каскадом, в точке соединения R7 , RS переменная составляющая напряжения изменяется синфазно с переменной составляющей напряжения на кол лекторе транзистора Т2 Чтобы резистор R7 не нагружал допол нительно выход усилителя, его выбирают из условия
R7* (2 0 - SO)RH
Для схемы рио.52 характерны использование одного источника
питания о искусственно образованной с помощью конденсаторов
Г4 . CS средней точкой, а такие режим работы оконечного каска да в классе АВ, что позволяет существенно снизить коэффициент
Рис.52 гармоник и выходное сопротивление усилителя. Это особенно ска
зывается в области малых выходных сигналов, где усилительные свойства оконечных транзисторов снижаются я эффективность дей ствия 00С значительно уменьшается. Величина начального смещения приближенно определяется из выражения
, Ц4 “ 2 (Ufen'* UfoT¥)
|
|
|
---------- Ш 1-------- |
* |
|
|
где |
1}д - напряжение на диоде |
Д1, создаваемо^. током покоя |
||||
транзистора Т2 |
; |
и |
- напряжение на базах |
составно |
||
го |
транзистора, |
обеспечивающие протекание тока |
10 |
|
||
|
Из-за значительного разброса прямых ветвей ВАХ диода и вход |
|||||
ных |
характеристик |
транзистора необходимое напряжение |
выби- |
|||
|
|
|
|
90 |
|
|