Osnovy_skhemotekhniki_posobie

с состоянием насыщения, а точка C – на границе с запертым состоянием

транзистора.

Рис.12.5. Выбор рабочей точки и построение нагрузочной прямой усилителя класса А

Для усилительных каскадов класса А максимальное значение КПД составляет 50%. На практике 0,9 max , т.е. 30%.

Стремление повысить КПД усилителей мощности класса А приводит к увеличению коэффициентов использования по току и напряжению. В этом случае амплитуда сигнала приближается к границам линейного участка, что приводит к увеличению коэффициента гармоник. Для оценки нелинейных искажений в усилителях мощности можно использовать графоаналитический метод.

Графоаналитический метод определения коэффициента гармоник

однотактного усилительного каскада.

По сквозной характеристике прямой передачи можно вычислить амплитуды выходного тока каскада. На рис. 14.6. показано построение кривой тока коллектора при гармоническом сигнале на входе транзистора. Причем,

будем считать, что на вход оконечного каскада подается неискаженная синусоида. На выходе получаем сигнал с искажениями.

131

Iк

a

I0 c

Im b

Uвх

Umax

Рис.12.6. Проходная характеристика усилителя.

Для того чтобы оценить, какие новые гармоники появились в выходном сигнале удобно разложить выходной сигнал в ряд Фурье. Поскольку гармоническая функция является четной, то ее разложение в ряд Фурье содержит косинусы с нулевыми начальными фазами. Как правило,

ограничиваются тремя членами разложения, поскольку амплитуда высоких гармоник, как правило, невысока, и их можно не учитывать.

Здесь Iср – среднее значение или постоянная составляющая; Im1,Im2,Im3... –

амплитуды гармоник тока коллектора.

На сквозной передаточной характеристике отмечают пять точек (рис. 12.6),

соответствующих амплитудным значениям и половинам амплитуд полуволн

Аналогичные выражения записываются для остальных пяти точек. В

результате получаем систему из пяти уравнений с пятью неизвестными. Из этой системы и определяются амплитуды гармоник и среднее значение тока:

132

Коэффициент гармоник можно определить следующим образом:

Если при расчетах коэффициент гармоник получился больше заданного, то его необходимо снижать. Существует два основных способа снижения коэффициента гармоник:

Уменьшение амплитуды входного сигнала. Этот способ применим не всегда, так как амплитуда сигнала в нагрузке часто является величиной заданной.

Введение отрицательной обратной связи (ООС). При введении ООС коэффициент гармоник уменьшается в фактор обратной связи раз (в F

раз).

Расчет однотактных усилителей класса А аналогичен расчету каскадов предварительного усиления. Достоинства однотактных усилителей класса А:

простота схемной реализации, простота расчета, низкий коэффициент гармоник. Недостатки усилителей класса А: низкий КПД.

12.2. Двухтактные усилители мощности

Двухтактным называется каскад, в котором объединены два однотактных усилительных каскада, работающих на одну общую нагрузку и управляемых взаимно противофазно одним и тем же усиливаемым колебанием. В

133

соответствии с этим двухтактный каскад состоит из двух плеч. Напряжение на нагрузке получают путем взаимного вычитания выходных колебаний плеч,

чтобы они суммировались, несмотря на противофазное управление. Благодаря противофазному управлению и вычитанию происходит частичная компенсация нелинейных искажений, вносимых плечами. В двухтактном каскаде могут быть использованы следующие режимы работы активного элемента: А, АВ, В.

Для усилителей класса B ток покоя транзистора мал, что предполагает пониженный расход мощности источника питания. Угол отсечки в таком режиме работы составляет /2. На рис. 12.7 приведено положение рабочей точки на проходной характеристики транзистора в режиме B.

t

Рис.12.7. Проходная характеристика с рабочей точкой активного элемента, работающего в

каскаде класса B

Из рис.12.9 видно, что коэффициент использования транзистора по току, в

каждом из плеч больше единицы:

Коэффициент гармоник в каждом из плеч оказывается недопустимо большим и составляет более 43%. Поэтому, для уменьшения коэффициента гармоник транзисторы двухтактного усилителя мощности класса B работают строго поочередно: каждый пропускает полуволну тока только в свой период колебаний. Во вторую половину периода транзистор заперт, и фактически не потребляет ток от источника питания.

134

Усилитель класса B обеспечивает высокий КПД, но вносит значительные нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью начального участка передаточной характеристики рис. 12.7. Вследствие этого совмещенная характеристика обоих транзисторов, представляющая зависимость их разностного тока, имеет подобие ступеньки вблизи перехода через нуль рис. 12.8. Поэтому такие искажения получили названия искажения «типа ступеньки».

Iр

t

Рис.12.8. Искажения типа ступеньки в усилителях мощности класса B

Для устранения этого типа искажений в усилителях используют режим AB,

в котором подается большее смещение рабочей точки транзисторов: транзистор работает с углом отсечки 2 . При работе в классе AB при малых токах работают оба плеча одновременно, подобно классу A и нелинейности характеристик плеч взаимно компенсируются. Однако КПД усилителя в этом случае понижается по сравнению с классом B.

Двухтактные каскады класса AB являются самым распространенным,

поскольку обеспечивают высокий КПД и небольшие нелинейные искажения.

Двухтактные усилители на транзисторах противоположного типа

проводимостей

Такой вариант схемного решения обычно используется при малых требуемых мощностях выходного сигнала (10–15 Вт). Это объясняется тем, что чем больше мощность выходного сигнала, тем больше и рассеваемая транзисторами мощность, т.е. тем выше температура. Увеличение температуры приводит к ухудшению стабильности параметров активных элементов. Таким

135

образом, основным недостатком таких схем является необходимость подбора двух активных элементов по своим характеристикам.

На практике параметры серийно выпускаемых транзисторов имеют разброс параметров более 100%. Поэтому в двухтактных схемах усилителей мощности класса В с активными элементами разного типа проводимости рекомендуется использовать комплиментарные пары транзисторов:

транзисторов с разным типом проводимостей, но с близкими характеристиками.

Принципиальная схема усилителя мощности класса В на транзисторах с разным типом проводимости представлена на рис. 12.9.

+Eп

R1

Rнагр

R0

Cр

R2

-Eп

Рис.12.9 Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности класса В на транзисторах

разного типа проводимости

Элементы R0, R1, R2 – элементы задания рабочей точки транзисторов.

Сопротивление R0 обеспечивает тепловую обратную связь, т.е. обеспечивает термостабилизацию рабочей точки. При конструктивной реализации сопротивление R0 размещают на одном радиаторе с транзисторами. В качестве термосопротивления часто используют диоды в прямом включении. Для обеспечения симметрии в схеме число диодов должно быть четным.

Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности класса В с диодной термокомпенсацией приведена на рис. 12.10.

136

Eп

R1

Cр Cр

R2 Rн

Рис.12.10. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности с диодной

термокомпенсацией

Расчет элементов делителя осуществляется по методике расчета каскадов предварительного усиления. Ток делителя выбирается из условия:

Для защиты транзисторов от короткого замыкания на выходе необходимо предусмотреть средства защиты каскада от короткого замыкания по выходу.

Двухтактные усилители на транзисторах одного типа проводимости.

Усилитель состоит из устройства формирования противофазных сигналов

и усилителей противофазных сигналов (рис.12.11).

Рис.12.11. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности на транзисторах одного

типа проводимости

137

Устройство формирования противофазных сигналов выполнено на транзисторах VT1, VT2. На транзисторах VT3, VT4 выполнен двухтактный усилитель мощности. Необходимым условием работы схемы является выполнения требований по температурной стабилизации рабочей точки всех транзисторов одновременно. В приведенной на рис.12.11 схеме используется метод термокопенсации рабочей точки (сопротивление R0 ). В схеме,

приведенной на рис.12.11 используется 100% ООС, поэтому такой усилитель мощности не обеспечивает усиления по напряжению.

Для того, чтобы убрать из схемы рис.12.11 разделительный конденсатор следует использовать двухполярный источник питания. Особенность построения усилителя такого усилителя мощности заключается в необходимости выбора транзисторов VT3, VT4 с одинаковыми характеристиками: постоянный потенциал в точке a должен быть равен нулю.

Основным недостатком всех аналоговых усилителей мощности является низкий КПД схем. Для усилителей мощности класса A предельное значение КПД составляет 50 %, для аналоговых усилителей мощности класса В и АВ –

75 80%. Устранить этот недостаток можно использованием ключевых усилителей мощности.

12.3.Ключевые усилители мощности

Включевых усилителях транзисторы работают в каскадах класса D.

Поэтому мощность потерь в транзисторах очень мала, что и обеспечивает высокий КПД. Применение ключевого режима для усиления непрерывных сигналов основано на сглаживании в нагрузке импульсов тока транзистора.

Представление аналогового сигнала в цифровом (импульсном) виде базируется на теореме Котельникова: аналоговый сигнал сколь угодно точно можно представить отсчетами с частотой, равной удвоенной верхней частоте спектра сигнала:

138

Fотсч 2Fв – для идеальных восстанавливающих фильтров

(12.15)

Fотсч 5...10 Fв – для реальных восстанавливающих фильтров

Ключевой усилитель мощности с широтно-импульсной модуляцией (КУМ

с ШИМ).

Структурная схема такого усилителя представлена на рис.12.12.

Cф Rн

3

4

-Eп

ЭК

Рис.12.12. К1, К2 – электронные ключи, ГТЧ – генератор тактовой частоты,

LфCф – восстанавливающий фильтр

139

сигнал с модулятора ШИМ, соответствующей положительной полуволне синусоиды входного сигнала 1; 4– выходной сигнал с модулятора ШИМ,

соответствующей отрицательной полуволне синусоиды входного сигнала 1; 5–

усиленный сигнал с обоих выходов модулятора ШИМ.

После прохождения суммированного после ключей сигнала через восстанавливающий фильтр в нагрузку подается аналоговый сигнал 6.

Для увеличения КПД схемы необходимо использовать быстродействующие ключи, которые имеют минимальное сопротивление в открытом состоянии и максимальное сопротивление в закрытом состоянии.

КПД ключевых усилителей с ШИМ при больших амплитудах входного сигнала достаточно высок и составляет ~90%.

Ключевой усилитель мощности с импульсно-кодовой модуляцией

(КУМ с ИКМ).

Принцип построения ключевого усилителя мощности с ИКМ основан на преобразовании аналогового сигнала в цифровой код, с последующим его усилением и обратным преобразованием цифрового кода в аналоговый сигнал.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой код осуществляется с помощью АЦП. Структурная схема такого усилителя мощности представлена на рис. 12.14.

Рис.12.14. Структурная схема усилителя мощности с ИКМ

Работу схемы можно пояснить на временных диаграммах, приведенных на рис. 12.14: 1 – сигнал на входе усилителя мощности с ИКМ; 2 – тактовые импульсы на выходе генератора тактовых импульсов; 3 – совокупность

140