Osnovy_skhemotekhniki_posobie

Из анализа эквивалентной схемы номинальный коэффициент усиления истокового повторителя будет определяться согласно выражению:

Из записанного выражения видно, что K0 1.

Область ВЧ. В области высоких частот каскад предварительного усиления

описывается постоянной времени в области ВЧ τв :

АЧХ повторителя напряжения, следовательно, запишется в виде:

где в повт в , F 1 S RИ .

F

Постоянная времени повторителя напряжения в повт в F раз меньше чем в усилительном каскаде, поскольку каскад охвачен 100%-ой ООС.

Следовательно, искажения в повторителе будут меньше, чем в усилительном каскаде на том же транзисторе.

Область НЧ. В данной области частот поведение истокового повторителя напряжения аналогично поведению каскада предварительного усиления и полученные раннее соотношения для каскада предварительного усиления справедливы и для истокового повторителя. То есть расчет разделительной емкости Ср в повторителе аналогичен расчету Ср в каскаде предварительного

усиления.

Схема истокового повторителя с повышенным входным сопротивлением

Для повторителя входное сопротивление определяется выражением:

Для увеличения входного сопротивления истокового повторителя применяют схему с повышенным входным сопротивлением (рис.11.4).

121

EП

Cр1

RИ2

Рис.11.4. Принципиальная схема истокового повторителя напряжения с увеличенным

входным сопротивлением

Увеличение входного сопротивления происходит вследствие того, что на вход подаем мощную копию с выхода повторителя через сопротивление RЗ. В

11.2. Эмиттерный повторитель

Схема эмиттерного повторителя напряжения (рис.11.5) отличается от схемы каскада предварительного усиления следующим:

­отсутствует сопротивление в коллекторной цепи,

­выходной сигнал снимается с эмиттера транзистора.

Рис.11.5. Принципиальная схема эмиттерного повторителя напряжения

122

Cр

Рис.11.6. Эквивалентная схема эмиттерного повторителя напряжения

Из анализа эквивалентной схемы (рис.11.6) номинальный коэффициент усиления эмиттерного повторителя будет определяться согласно выражению:

Из записанного выражения видно, что коэффициент передачи эмиттерного повторителя K0 1 и превышает коэффициент передачи истокового повторителя напряжения, поскольку крутизна S биполярных транзисторов как минимум на порядок превышает крутизну полевых транзисторов.

Поведение эмиттерного повторителя в различных областях частот аналогично работе истокового повторителя напряжения.

Схема эмиттерного повторителя с повышенным входным сопротивлением

По сравнению с истоковым повторителем входное сопротивление эмиттерного повторителя RВх меньше и определяется сопротивлениями делителя R1 и R2 (как и в каскаде предварительного усиления). Для увеличения входного сопротивления RВх эмиттерного повторителя используют схему с увеличенным входным сопротивлением (рис.11.7).

123

Рис.11.7. Принципиальная схема эмиттерного повторителя напряжения с увеличенным

входным сопротивлением

Делитель R1, R2 , подающий смещение во входную цепь транзистора эмиттерного повторителя, снижает входное сопротивление каскада, не позволяя получить его выше нескольких десятков кОм.

При использовании эмиттерного повторителя в качестве входного каскада и необходимости получить входное сопротивление усилителя порядка ста и более кОм можно подать смещение на базу транзистора от делителя R1, R2

через дополнительное сопротивление Rдоп . При этом входная цепь транзистора

позволяет сильно повысить входное сопротивление схемы, существенно не ухудшая стабильности положения рабочей точки покоя. В данном случае входное сопротивление RВх эмиттерного повторителя определяется выражением:

где – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером.

124

Увеличение сопротивления разделительного конденсатора Сд при понижении частоты сигнала снижает входное сопротивление схемы на низких частотах. Для предотвращения значительного снижения входного

сопротивления на нижней граничной частоте емкость конденсатора Сд должна

быть достаточно большой. Приближенно необходимую величину емкости Сд

можно определить по выражению:

Контрольные вопросы

51)В чем заключаются особенности работы повторителя напряжения? а) Способность усиливать сигнал по току.

б) Способность усиливать сигнал по напряжению. в) Изменение полярности сигнала.

г) Малое входное сопротивление и большое выходное сопротивление. д) Очень большое входное сопротивление.

52)Почему частотные искажения в области высоких частот у повторителя напряжения меньше, чем для усилительного каскада?

а) Потому что в повторителе напряжения сигнал снимается с эмиттера (истока) транзистора.

б) Потому что повторитель напряжения охвачен 100%-ой отрицательной обратной связью.

в) Потому что повторитель напряжения имеет большое входное сопротивление.

г) Потому что при распределении частотных искажений следует отдавать на повторители напряжения не более 5% всех частотных искажений усилителя.

д) Потому что в повторителе напряжении не требуется устанавливать разделительный конденсатор.

53)В чем заключается различие между истоковым и эмиттерным повторителем?

а) Коэффициент передачи эмиттерного повторителя превышает коэффициент передачи истокового повторителя напряжения, поскольку крутизна биполярных транзисторов как минимум на порядок превышает крутизну полевых транзисторов.

б) Коэффициент передачи истокового повторителя превышает коэффициент передачи эмиттерного повторителя напряжения, поскольку крутизна полевых транзисторов как минимум на порядок превышает крутизну биполярных транзисторов.

в) Коэффициент передачи эмиттерного повторителя превышает коэффициент передачи истокового повторителя напряжения, поскольку крутизна полевых транзисторов как минимум на порядок превышает крутизну биполярных транзисторов.

г) Коэффициент передачи истокового повторителя превышает коэффициент передачи эмиттерного повторителя напряжения, поскольку входное сопротивление полевых транзисторов превышает входное сопротивление биполярных транзисторов.

д) Коэффициенты передачи эмиттерного и истокового повторителей напряжения одинаковы, при работе на одинаковую нагрузку.

125

12. Оконечные каскады и усилители мощности

Оконечным называется каскад, с выхода которого сигнал поступает в нагрузку усилителя. Оконечный каскад определяет КПД всего усилителя и предназначен для обеспечения требуемой мощности в нагрузке. Поэтому в качестве оконечных каскадов часто используют усилители мощности.

Основными задачами при проектировании усилителей мощности являются:

обеспечение режима согласования выходного сопротивления усилителя мощности с сопротивлением нагрузки: передача в нагрузку максимальной мощности;

достижение минимальных нелинейных искажений сигнала;

получение максимального КПД ( ).

Высокое значение , которое необходимо обеспечивать в усилителях мощности, позволяет уменьшить тепловую мощность, а, следовательно,

повысить стабильность рабочей точки и снизить требования, предъявляемые к транзистору по тепловой рассеиваемой мощности. Однако, вследствие высокого КПД в усилителях мощности сильно проявляется нелинейность входных и передаточных характеристик. Поэтому усилитель мощности нельзя описывать системой Y-параметров, которая применима только лишь для описания линейных схем. Для описания усилителей мощности используют две группы параметров:

1)Стандартные параметры. Это параметры, которые характерны для всех усилителей: коэффициент усиления, АЧХ, ФЧХ, коэффициенты частотных и нелинейных искажений.

2)Специфические параметры, характерные только для усилителей мощности:

энергетические параметры и информационные параметры.

126

Энергетические параметры усилителей мощности.

Основным энергетическим параметрам усилителя мощности (рис.12.1)

является его КПД ( ) – отношение полезной (отдаваемой в нагрузку) мощности

Pип

ИП

I0, Eп

Рис.12.1. Структурная схема усилителя мощности

Мощность гармонического сигнала в нагрузке:

где Jm,Um – действующие значения тока и напряжения гармонического сигнала в нагрузке соответственно.

Здесь ki и ku – коэффициент использования по напряжению и току соответственно; Eп – напряжения питания.

Из формулы (12.3) видно, что для увеличения КПД необходимо увеличивать коэффициенты использования по току и напряжению. Значения этих коэффициентов зависит от номинала сопротивления нагрузки.

127

Рассмотрим два предельных случая:

1)Сопротивление нагрузки бесконечно мало (режим короткого замыкания на выходе): Rн 0. Тогда коэффициент использования по напряжению

На рис.12.2 приведена качественная зависимость КПД от номинала сопротивления нагрузки.

max

Rн

Rн opt

Рис. 12.2. Зависимость КПД от параметров нагрузки.

Из рис.12.2 видно, что имеется, по крайней мере, один максимум Rí .

Следовательно, для любого усилителя мощности имеется как минимум одно оптимальное значение сопротивления нагрузки, при котором КПД оказывается наибольшим. Поэтому при проектировании усилителя мощности следует таким образом выбирать параметры принципиальной схемы, чтобы при заданном значении сопротивления нагрузки обеспечить максимальное значение КПД и снизить тепловую рассеиваемую мощность транзистора Pрасс .

Информационные параметры усилителей мощности

Любой усилитель может быть представлен как устройство, которое преобразует поступающую на него информацию (рис.12.3).

128

Для усилителя мощности должно выполняться условие:

Согласно условию (12.8) существуют следующие варианты построения усилителей:

1)Fус>Fс, Dус>Dc. Это условие выполняется в линейном аналоговом усилителе мощности.

2)Fус>>Fс, Dус<<Dc. Это условие выполняется в ключевых усилителях мощности при условии высокого быстродействия ключей (усилители класса D).

129

Классификация усилителей мощности.

Усилители мощности принято классифицировать по принципу их

построения:

1.Аналоговые усилители мощности.

–усилители мощности класса А;

–усилители мощности класса AB;

–усилители мощности класса В.

2.Ключевые усилители мощности.

–ключевые усилители мощности с широтно-импульсной модуляцией

(ШИМ);

–ключевые усилители мощности с импульсно-кодовой модуляцией

(ИКМ);

–спектрально-ключевые усилители мощности;

–дискретно-аналоговые усилители мощности.

12.1.Однотактные усилители мощности класса А

Воднотактном каскаде усиление осуществляется одним транзистором

(рис.12.4).

Рис.12.4. Принципиальная схема усилителя мощности класса А.

Транзистор работает в режиме А: рабочая точка выбирается на середине линейного участка проходной характеристики (рис. 12.5в), на середине нагрузочной прямой (рис. 12.5.б). Точки B и C определяют максимальные границы используемого участка нагрузочной прямой. Точка B лежит на границе

130