Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 18 Резисторные усилители напряжения, усилители мощности.
Вопрос 1 Основные свойства предварительных усилителей
Для усиления сигнала звуковой частоты, полученного на выходе детектора, до уровня, достаточного для нормальной работы оконечного устройства, применяют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Все усилители звуковой частоты можно условно разделить на две группы: предварительные усилители и усилители мощности.
К последовательным усилителям предъявляются требования обеспечения достаточного усиления напряжения при малом уровне всех видов искажений. Для обеспечения достаточного усиления применяют, как правило, несколько каскадов усиления. Число каскадов желательно иметь как можно меньше. Поэтому коэффициент усиления каждого каскада должен быть большим. С этой целью в каскадах предварительного усиления применяют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления (транзисторы с большим статическим коэффициентом усиления тока h21э или лампы с большим статическим коэффициентом усиления напряжения µ). Режим работы приборов выбирают таким образом, чтобы получить наибольшее усиление при допустимом уровне линейных и нелинейных искажений. Активные приборы в каскадах предварительного усиления ,как привило, работают в режиме класса А. Этот режим используется в целях уменьшения уровня нелинейных искажений. Уменьшение КПД усилителей в этом режиме не имеет особого значения, так как потребление мощности источника питания каскадами предварительного усиления даже в этом случае оказывается невелико.
Наибольшее усиление напряжения в предварительных каскадах достигается, когда транзисторы включают по схеме с общим эмиттером или общим истоком, а лампы – с общим катодом. Другие схемы включения активных приборов в каскадах предварительного усиления встречаются очень редко, поэтому в дальнейшем они рассматриваться не будут.
Для сокращения расхода энергии питания активные приборы в предварительных усилителях применяют маломощные, а ток покоя их выходной цепи устанавливают по возможности малым, достаточным для обеспечения необходимых усилительных свойств усилительного прибора.
Нагрузкой предварительного усилителя является вход последующего каскада. Структурно предварительный усилитель размещается между детектором и усилителем мощности. В качестве усилительных приборов в предварительных усилителях чаще всего применяют транзисторы и микросхемы, в устаревшей аппаратуре еще встречаются ламповые усилители. Основной тип предварительного усилителя – резисторный усилитель, содержащий усилительный прибор, нагрузкой которого является резистор. Резисторные усилители нашли широкое распространение благодаря таким своим качествам, как простота, дешевизна, хорошие частотные и переходные характеристики, малые размеры и вес. Анализ работы усилителей удобно производить на базе эквивалентных схем.
Вопрос 2 Принципиальные и эквивалентные схемы резисторных усилителей. Физические процессы.
Принципиальные схемы резисторных усилителей на лампе, биполярном и полевом транзисторах приведены на рисунке 2.1.
В качестве усилительных приборов применяются маломощные лампы или транзисторы с высоким коэффициентом усиления.
Нагрузкой резисторного усилителя может быть вход последующего каскада или оконечное устройство. В общем виде они представляют собой параллельное соединение активного сопротивления и емкости.
Рассмотрим назначение элементов схемы усиления:
цепь смещения для установки исходной рабочей точки – Rк, Ск; Rэ, Сэ; Rн, Сн (соответственно для схемы на лампе (рисунок 2.1, а), на биполярном (рисунок 2.1, б), и полевом (рисунок 2.1, в) транзисторах);
цепь термостабилизации биполярного транзистора – R1, R2;
фильтр развязки в цепи питания – Rф, Сф;
резистор нагрузки – Rн;
резистор утечки – Rс; Rз (соответственно для схемы на лампе и полевом транзисторе).
Рисунок 2.1 – Принципиальные схемы резисторных усилителей:
а) – на лампе; б) – на биполярном транзисторе; в) – на полевом транзисторе
Обычно емкости Ск, Сэ, Сф, Сн настолько велики ,что их сопротивлениями для переменного тока можно пренебречь и резисторы Rк, Rэ, Rф, Rн окажутся для переменного тока накоротко замкнутыми и не войдут в эквивалентную схему каскада. Эквивалентная схема резисторного усилителя приведена на рисунке 2.2.
Рассмотрим назначение элементов эквивалентных схем. Элементы эквивалентных схем, входящие в принципиальные схемы (рисунок 2.1) в явном виде, имеют те же обозначения и их назначение описано выше. Резистор R для усилителя на лампе и полевом транзисторе соответствует резисторам Rс и Rэ, а для усилителя на биполярном транзисторе – параллельному включению R1 и R2 (по высокой частоте они включены параллельно, так как сопротивление конденсатора Сф на этой частоте можно пренебречь).
Выходы усилительных приборов заменяются их эквивалентными схемами, содержащими генератор напряжения µ Uвх, последовательно с которым соединено его внутреннее сопротивление Ri. Параллельно выходу усилительного прибора включена выходная емкость Свых, которая соответствует выходной емкости усилительного прибора. Затем следуют элементы принципиальных схем: Rн, Ср, R1||R2 или Rс (Rз). К выходу резисторного усилителя подключена активно – емкостная нагрузка Rвх2, Свх2, представляющая собой вход следующего каскада или оконечное устройство.
Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема резисторного усилителя
См – емкость монтажа, зависящая от геометрических размеров и конструкции усилительных элементов и деталей, а также от их расположения.
Эквивалентная схема позволяет проводить анализ работы резисторных усилителей напряжения.
3.1 Общие сведения об усилителях мощности
Усилителем мощности называется выходной усилитель низкочастотного тракта радиоприемника, который должен отдавать в нагрузку заданную мощность полезного сигнала при допустимой величине нелинейных искажений и достаточно высоком КПД.
В авиационном радиоэлектронном оборудовании усилители мощности используются в связных радиоприемниках, автоматических радиокомпасах и самолетных переговорных устройствах.
В усилителе мощности активным прибором может быть биполярный транзистор, полевой транзистор или электронная лампа.
Схемы современных усилителей мощности авиационных радиоприемников все чаще строятся на основе линейных интегральных схем.
По принципу действия усилители мощности не отличаются от усилителей напряжения, однако режим их работы выбирается так, чтобы получить на выходе наибольшую мощность, а не наибольшее напряжение.
Большая мощность означает работу с большими токами и напряжениями, которые значительно превышают напряжения и токи в усилителях напряжения. Если в усилителях напряжения обычно используется лишь небольшой участок характеристики активного прибора, то в усилителях мощности всегда стремятся наиболее полно использовать всю его характеристику, что приводит к заметному возрастанию нелинейных искажений. Отсюда вытекает необходимость оценки нелинейных искажений усилителя мощности.
Условия работы усилителя мощности зависят от характера нагрузки и ее постоянства. В общем случае сопротивление нагрузки имеет комплексный характер. Для передачи возможно большей мощности в нагрузку должно быть выполнено согласование между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением активного прибора. Наиболее распространенным согласующим устройством является трансформатор.
При использовании в усилителе мощности биполярного транзистора наиболее употребительной является схема с общим эмиттером, дающая наибольшее усиление мощности сигнала, а поэтому требующая меньшей выходной мощности от предоконечного усилителя и наименьшего усиления от предварительного усилителя. Включение транзистора с общей базой позволяет уменьшить нелинейные искажения и повысить стабильность всех параметров схемы. Однако при таком включении входная проводимость усилителя мощности велика и предоконечный усилитель приходится делать с трансформаторной нагрузкой.
Полевые транзисторы обычно включают с общим истоком, а лампы – с общим катодом.
Усилители мощности обычно бывают однотактные и двухтактные. Однотактные усилители мощности работают в режиме А, а двухтактные – в режиме А, АВ или В. Отметим, что режим класса А используется в двухтактных усилителях только в тех случаях, когда желательно получить минимально возможные нелинейные искажения усиливаемых сигналов, а величина мощности, снимаемой с каждого транзистора, и КПД усилителя не имеют существенного значения.
3 Однотактный усилитель мощности с трансформаторной нагрузкой
В трансформаторных усилителях мощности транзисторы чаще всего включают по схеме с общим эмиттером. Простейший вариант схемы однотактного трансформаторного усилителя мощности с таким включением транзистора показан на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Схема однотактного трансформаторного усилителя мощности
В этой схеме применена термостабилизация тока базы, так как включение в цепь эмиттера значительного сопротивления невозможно из-за большой величины выходного тока. Поэтому обратная связь по постоянному току получается малоэффективной и не обеспечивает стабильности режима.
Первичная обмотка трансформатора служит коллекторной нагрузкой транзистора. Ее сопротивление для переменной составляющей коллекторного тока велико и зависит от коэффициента трансформации трансформатора и величины нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке.
2.2 Частотные характеристики трансформаторных усилителей мощности
Частотные свойства усилителя определяют его полосу пропускания и уровень линейных (частотных) искажений сигнала на его выходе. Анализ частотных свойств удобно производить по эквивалентной схеме.
Рисунок 2.3 – Эквивалентная схема однотактного усилителя мощности с трансформаторной нагрузкой
Полная эквивалентная схема однотактного усилителя мощности с трансформаторной нагрузкой приведена на рисунке 2.3.
В эквивалентной схеме использованы следующие обозначения:
Свых – сумма выходной емкости транзистора и межвитковой емкости первой обмотки трансформатора;
r1 и r2 – активные сопротивления, соответственно первой и второй обмоток трансформатора;
Сн – сумма емкости нагрузки и межвитковой емкости второй обмотки трансформатора;
Ls1, Ls2 – индуктивности рассеяния, соответственно первой и второй обмоток трансформатора;
L1 – индуктивность первичной обмотки L1 трансформатора.
С помощью индуктивностей Ls1 и Ls2 учитываются потери электромагнитной энергии в трансформаторе на рассеяние.
Идеальные индуктивности L1и L2связаны между собой общим магнитным потоком трансформатора Ф. Поэтому все сопротивления вторичной цепи трансформатора (активные и реактивные) могут быть пересчитаны в его первичную цепь по формуле
2 =
Определим пересчитанные по этой формуле значения элементов эквивалентной схемы:
=.
Эквивалентная схема с пересчитанными значениями элементов изменится и примет вид, приведенный на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Эквивалентная схема с пересчитанными значениями элементов
На выходе этой эквивалентной схемы действует приведенное выходное напряжение =Uвых/m.
Проведем анализ частотных свойств усилителя мощности раздельно на нижних, средних и верхних частотах рабочего диапазона.
В области низких частот (см. рисунок 2.5) основное влияние на работу усилителя оказывает индуктивность обмотки трансформатора L1, так как с понижением частоты сопротивление индуктивности падает и шунтирует нагрузку, вызывая завал АЧХ на нижних частотах.
На средних частотах влияние всех реактивностей схемы пренебрежимо мало и АЧХ равномерна. Эквивалентная схема УМ для средних частот показана на рисунке 2.6.
Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема УМ для низких частот
Рисунок 2.6 – Эквивалентная схема УМ для средних частот
На верхних частотах (см. рисунок 2.7) необходимо учитывать влияние индуктивности рассеяния LS(LS=LS1+) и емкостей Свых и .В схеме, приведенной на рисунке 2.7, возможно возникновение двух резонансов.
Рисунок 2.7 – Эквивалентная схема УМ для верхних частот
Первый резонанс может возникнуть за счет наличия последовательного колебательного контура, образованного индуктивностью LSи емкостью нагрузки . Резонанс вызывает подъем АЧХ усилителя в области верхних частот.
Пренебрегая влиянием активных сопротивлений, определим частоту этого резонанса:
F01 =
Второй резонанс возможен в параллельном колебательном контуре, образованном емкостями Свых и и индуктивностью LS.Частота этого резонанса определяется выражением
F02 =
где
Сэкв=
На рисунке 2.8 представлена АЧХ однотактного трансформаторного усилителя мощности. В области верхних частот АЧХ имеет два всплеска, определяемых резонансами на частотах F01 и F02.
Рисунок 2.8 – АЧХ однотактного трансформаторного усилителя мощности
Между этими резонансами АЧХ может быть очень неравномерной. Поэтому верхняя граница полосы пропускания усилителя должна быть меньше F01. Чтобы не получить вблизи частоты F01 большой резонансный подъем АЧХ, надо понижать добротность последовательного контура, шунтируя первичную обмотку трансформатора сопротивлением Rш, которое подбирается опытным путем.
Однотактный усилитель мощности в режиме А имеет относительно низкий КПД. Использование в однотактной схеме энергетически более выгодных режимов В и АВ нецелесообразно из-за недопустимо высокого уровня нелинейных искажений.
Вопрос 4 Двухтактные усилители мощности
Для получения большой выходной мощности полезного сигнала и высокого КПД при небольшом уровне нелинейных искажений применяют двухтактные схемы усилителей мощности.
Различают двухтактные трансформаторные усилители мощности и двухтактные бестрансформаторные усилители мощности.
3.1 Двухтактные трансформаторные усилители мощности.
В настоящее время двухтактные трансформаторные усилители мощности наиболее широко применяются радиоприемных устройствах.
Наиболее простая схема такого усилителя приведена на рисунке 3.1. На ее примере поясним основные свойства двухтактных трансформаторных усилителей мощности.
Рисунок 3.1 – Двухтактный трансформаторный усилитель мощности
Эта схема представляет собой совокупность двух однотактных усилителей, работающих на общую нагрузку. Половина двухтактного усилителя называется его плечом. Оба плеча электрически симметричны.
Для электрической симметрии плеч усилителя его транзисторы должны иметь одинаковые параметры и симметричные режимы. Симметричные режимы идентичных транзисторов получаются, если первичная обмотка выходного трансформатора TV2 состоит из двух одинаковых половин, а входные напряжения и симметричны.
В следствии симметрии двухтактных схем и возможности поочередной работы плеч в них могут быть реализованы режимы классов В и АВ. При этом удается существенно повысить КПД и отдаваемую в нагрузку мощность при сравнительно небольшом уровне нелинейных искажений.
При использовании режима В активные приборы работают поочередно, каждый прибор работает только половину периода усиливаемых колебаний, другой активный прибор в это время оказывается запертым. Поэтому схему можно рассчитывать так, как будто работает только одно плечо и используется одна половина первичной обмотки трансформатора.
При отсутствии сигнала (в режиме молчания) выходные токи активных приборов малы и усилитель практически не потребляет энергию источника питания. При увеличении или на стоках, или на анодах) при такой амплитуде сигнала, когда коэффициент использования напряжения источникапитания:
(1.1)
Мощность, рассеиваемая в одном амплитуды сигнала возрастают среднее значение выходного тока (постоянной составляющей) и потребление энергии усилителем. Наибольшая мощность рассеивается в виде тепла на выходных электродах активных приборов (на коллекторах приборе:
(1.2)
При наибольшей амплитуде напряжения сигнала максимальная колебательная мощность, отдаваемая в нагрузку одним активным прибором УМ:
(1.3)
Сопоставим максимальную колебательную мощность (1.3) с мощностью рассеяния (1.2), исключив :
(1.4)
Сравнивая эту величину с мощностью, отдаваемой в нагрузку однотактным УМ в режиме А согласно выражению:
.
Видим, что в режиме В при той же допустимой мощности рассеяния можно получить в пять раз большую полезную колебательную мощность от одного активного прибора. В режиме В КПД двухтактного УМ может достигать 70%.
На рисунке 3.2 показаны динамические характеристики активных приборов с учетом их поочередной противофазной работы в режиме В. Кривая изменения магнитного потока Ф в сердечнике формируется из двух половин, воспроизводимых каждым плечом двухтактной схемы.
Рисунок 3.2 – Динамическая характеристика
Недостатком УМ, работающих в режиме В, является довольно высокий уровень нелинейных искажений (появление нечетных гармоник в составе результирующего магнитного потока). Для устранения указанного недостатка обычно в двухтактном УМ используют промежуточный режим АВ, в котором энергетические показатели несколько хуже (КПД 50...60%), но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения рисунок 1.3.
Рисунок 3.3 – Динамическая характеристика
3.2 Двухтактные бестрансформаторные усилители мощности.
Выходной трансформатор в усилителе мощности вносит частотные, переходные и нелинейные искажения. Кроме того, в трансформаторе происходят потери мощности. Избавиться от этих недостатков позволяет непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь активного прибора, т. е. применение двухтактных бес трансформаторных усилителей мощности.
Двухтактные усилители мощности с бестрансформаторным выходом обладают всеми достоинствами двухтактных схем, основные среди которых:
Как недостаток двухтактных схем отметим, что из-за разброса параметров транзисторов и допусков на детали плечи каскада никогда не работают идентично. Следовательно, четные гармоники, фон, помехи двухтактные схемы не уничтожают полностью, а уменьшают в 3…5 раз по сравнению с однотактной схемой. При специальном подборе элементов схемы уровень фона и коэффициент гармоник может быть снижен в 7…10 раз.
Схема наиболее простого двухтактного каскада показана на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 – Схема двухтактного каскада УМ
Пара транзисторов и с разными видами проводимости, но с близкими параметрами включена параллельно и управляется синусоидальным напряжением .Транзисторы работают в режиме АВ. Когда на вход схемы подается отрицательная полуволна — открывается транзистор и ток проходит по цепи .Причем заряжается до напряжения При изменении фазы на 180° транзистор закрывается и открывается транзистор и ток протекает по цепи .
Для переменного тока коллекторы транзисторов включены параллельно и через общую нагрузку коллекторные токи протекают в противоположных направлениях и напряжение на нагрузке в общем случае определяется их разностью. Плечи двухтактной схемы потребляют суммарную мощность:
КПД такого усилителя мощности определяется формулой:
(1.5)
где – коэффициент использования напряжения.
В соответствии с выражением (1.1) определим максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторах активных приборов:
(1.6)
Тогда
(1.7)
Эта формула позволяет выбрать транзистор с определяемой заданной мощностью , потребляемой нагрузкой.
Резисторы и не являются обязательными элементами схемы, но, улучшая качественные показатели устройства, в ряде случаев могут быть рекомендованы. Они рассчитываются из условия потери на них не более 1…3% .
Делитель рассчитывается так, чтобы падение напряжения на создавало необходимое смещение для работы транзистора в режиме АВ. Термостабилизация рабочей точки будет удовлетворительной, если ток через в 5…10 раз больше тока базы в рабочей точке, aтранзистора .
Емкость проходного конденсатора выбирается из условия свободного прохождения через него нижней частоты сигнала:
.
Нелинейные искажения оцениваются по сквозной динамической характеристике каскада. Находят амплитуду первой и высших гармоник и определяют величину коэффициента гармоник
.
Проанализировав данные схемы можно сделать следующие выводы: