Усилители мощности
Все рассмотренные нами усилители относятся к категории усилителей напряжения, их основное назначение — получение максимального размаха выходного напряжения. Когда требуется большая выходная мощность, например для «раскачки» мощных громкоговорителей или антенн или питания электродвигателей, применяются усилители мощности. Они характеризуются высоким коэффициентом усиления по мощности, который достигается за счет высоких коэффициентов усиления по напряжению и по току.
|
|
||||
На рис. 30.9 приведена базовая схема выходного транзисторного каскада с эмиттером, заземленным по переменному току. Для получения неискаженного выходного сигнала усилитель должен работать в режиме класса А. КПД такого усилителя мощности очень мал из-за большого тока, потребляемого от источника питания. От этого усилителя можно получить только небольшую мощность. Его можно использовать в автомобильном радиоприемнике, где величина потребляемого тока не имеет значения.
Двухтактный режим работы
Двухтактные выходные каскады почти повсеместно используются в современных транзисторных усилителях. Двухтактный усилитель содержит два транзистора, работающих в режиме классаВ, каждый из которых обеспечивает усиление только одного полупериода входного сигнала.
Двухтактный усилитель с использованием двух идентичных транзисторов
На рис. 30.10 показана упрощенная схема двухтактного усилителя. Эмиттерные переходы транзисторов имеют нулевое напряжение смещения, поэтому каждый из транзисторов проводит ток только в одном из двух чередующихся полупериодов входного сигнала. Входной трансформатор Tp1 с отводом от средней точки вторичной обмотки работает как расщепитель фазы.
Рис. 30.10. Двухтактный усилитель мощности с двумя идентичными транзисторами и трансформаторным расщепителем фазы.
Два равных и противоположных по знаку (противофазных) сигнала формируются в каждом полупериоде на половинах вторичной обмотки этого трансформатора: сигнал
Выходной сигнал двухтактного усилителя с нулевым смещением эмиттерных переходов транзисторов воспроизводится с искажениями типа «ступенька», как показано на рис. 30.10. Эти искажения связаны с нелинейными участками характеристик двух транзисторов. Искажения возникают в те моменты времени, когда один транзистор начинает открываться, а другой — закрываться. Для устранения этих искажений на базы транзисторов подается небольшое напряжение прямого смещения (0,1-0,2 В), как показано на рис. 30.11, где резисторы
Рис. 30.11. Цепь смещения R1 — R2 устраняет искажения типа «ступенька».
Транзисторные фазорасщепители
На рис. 30.12 показана схема фазорасщепителя на транзисторе прп-типа. Резисторы R3 и R
4 имеют равные сопротивления, для того чтобы получить на выходе два равных по величине и противоположных по знаку синусоидальных сигнала, снимаемых с эмиттера и коллектора транзистора. Для обеспечения максимальной величины неискаженного выходного сигнала отношение сопротивлений R1 : R2 должно находиться в диапазоне от 2 : 1 до 3 : 1. Типичные значения постоянных напряжений, определяющих режим транзистора по постоянному току, указаны на схеме.Рис. 30.12. Транзисторный фазорасщепитель.
Двухтактный усилитель на комплементарных транзисторах
Двухтактный усилитель мощности на комплементарных транзисторах позволяет отказаться от использования как фазорасщепителя на входе, так и трансформатора на выходе. В этом усилителе используются два симметричных транзистора, рпр- и
На рис. 30.14 приведена полная схема двухтактного усилителя мощности на комплементарных транзисторах вместе с предвыходным каскадом.
Рис. 30.13. Базовая схема двухтактного усилителя на комплементарных транзисторах.
Рис. 30.14. Двухтактный усилитель на комплементарных транзисторах с независимой цепью смещения для транзистора T1 предвыходного каскада.
Схема модифицирована для питания от одного источника. Транзистор T
Если статический режим транзистора T1 выбран таким образом, что его коллекторное напряжение равно 0,5VCC, то транзистор T2 закроется, как только потенциал точки А возрастет до 0,5VCC. В результате схема будет сбалансирована по постоянному току и каждому транзистору будет приложено напряжение, равное половине напряжения источника питания. Транзисторы T2 и T3 оказываются в отсечке (режим класса В) с нулевым напряжением смещения на их эмиттерных переходах, т. е. они находятся на грани включения при отсутствии входного сигнала.
При подаче входного сигнала транзистор T1 находится в проводящем состоянии в течение всего периода, усиливая этот сигнал и обеспечивая «раскачку» выходных транзисторов T
Схема на рис. 30.14 имеет низкую стабильность по постоянному тору. Любое изменение тока транзистора T1 вызывает изменение статического режима выходной пары транзисторов, что может привести к искажениям выходного сигнала. Для улучшения стабильности используется отрицательная обратная связь по постоянному току, обеспечивающая автоматическую подстройку смещения транзистора T1, как показано на рис. 30.15. Постоянное напряжение, действующее в точке А (0,5Vcc), подается обратно на базу транзистора T1 через резистор обратной связи RF. В этой схеме громкоговоритель подключен к положительной шине источника питания через разделительный конденсатор С3. Заметим, что в такой конфигурации ток транзистора T3 заряжает этот конденсатор, а ток транзистора T2 разряжает его. Вообще, транзистор, включенный «последовательно» с разделительным конденсатором, заряжает его, а включенный «параллельно» — разряжает. Через резистор R4 на базы выходных транзисторов подается небольшое напряжение прямого смещения, обеспечивающее уменьшение искажений типа «ступенька». Резисторы R6 и R7 в эмиттерных цепях транзисторов T2 и T3 обеспечивают стабильность по постоянному току, а также неглубокую обратную связь по переменному оку, улучшающую частотные характеристики усилителя.
Рис. 30.15. Типичный двухтактный усилитель мощности на комплементарных резисторах. Смещение на базу транзистора Т1 подается через резистор отрицательной обратной связи RF.
Усилители постоянного тока
При усилении сигналов постоянного тока между каскадами действует непосредственная связь, как показано на рис. 30.16. Напряжение на базу транзистора Т2 напрямую подается с коллектора транзистора Т1. Поэтому статический режим (в отсутствие сигнала) транзистора Т2 определяется статическим режимом предыдущего каскада. Отсутствие разделительного конденсатора позволяет усиливать самые низкочастотные сигналы.
Усилители постоянного тока подвержены так называемому дрейфу, представляющему собой сдвиг рабочей точки усилителя при изменении температуры. Для устранения дрейфа в схему включаются термисторы (термосопротивления) или другие температурно-чувствительные элементы, как показано на рис. 30.16.
Рис. 30.16. Усилитель с непосредственной связью.
Обратная связь в усилителях
На рис. 30.17 показана система с обратной связью, в которой часть выходного напряжения подается обратно на вход усилителя. Напряжение υf есть напряжение обратной связи, которое добавляется к входному напряжению υi для получения эффективного входного напряжения ei, действующего непосредственно на входе усилителя. Цепь обратной связи В передает весь или часть β выходного сигнала обратно на вход усилителя. Если выходное напряжение равно υ0, то напряжение обратной связи равно
υf = βυ0
Эффективный сигнал на входе усилителя υi = ei + υf = ei + βυ0. При введении обратной связи коэффициент усиления становится равным
Рис. 30.17. Обратная связь в усилителях.
При введении отрицательной обратной связи, когда напряжение обратной связи находится в противофазе с входным напряжением, эффективное входное напряжение ei = υi – υf, что приводит к уменьшению коэффициента усиления всей системы. При положительной обратной связи ситуация изменяется на обратную: напряжение обратной связи находится в фазе с входным напряжением, и эффективное входное напряжение ei = υi + υf, т. е. превышает входное напряжение на величину напряжения обратной связи, в результате увеличивается коэффициент усиления всей системы.
Используя величины, указанные на рис. 30.17, и предполагая, что действует отрицательная обратная связь, можно рассчитать некоторые параметры системы с обратной связью.
Эффективное входное напряжение ei = 10 — 2 = 8 мВ.
Выходное напряжение υ0 = 8 · 100 = 800 мВ.
Таким образом, коэффициент усиления системы с обратной связью
Коэффициент обратной связи
Различают обратную связь по току и обратную связь по напряжению. При обратной связи по току напряжение обратной связи пропорционально выходному току. Например, в схеме на рис. 30.18 такая связь осуществляется через резистор R4. Когда напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению, мы имеем дело с обратной связью по напряжению. В схеме на рис. 30.18 обратная связь по напряжению осуществляется через цепь C2 – R3.
Таблица 30.1. Сравнение характеристик систем с отрицательной и положительной обратной связью
Положительная обратная связь |
Отрицательная обратная связь |
1. Высокий коэффициент усиления 2. Узкая полоса пропускания 3. АЧХ с выбросами 4. Низкое входное сопротивление 5. Высокое выходное сопротивление 6.Вносит нестабильность как по переменному току (возникновение колебательных процессов), так и по постоянному току (неустойчивость стационарного режима) 7. Применяется в генераторах |
1. Низкий коэффициент усиления 2. Широкая полоса пропускания 3. Плоская АЧХ 4. Высокое входное сопротивление 5. Низкое выходное сопротивление 6. Улучшается устойчивость системы, как по переменному, так и по постоянному току 7. Часто применяется для улучшения устойчивости и расширения полосы пропускания усилителя |
Рис. 30.18. Усилитель на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, с двумя видами обратной связи: по току (через резистор R4) и по напряжению (через цепь C2 – R3).
Усилители радиочастоты (УРЧ)
На радиочастотах, например в УКВ-диапазоне, влияние межэлектродных емкостей транзистора, особенно между коллектором и базой, становится очень заметным. Для устранения влияния этих емкостей используется усилитель по схеме с общей базой. Однако в схеме с ОБ транзистор имеет низкое входное сопротивление, которое чрезмерно нагружает предыдущий каскад, работающий на усилитель.
Рис. 30.19. Каскодный усилитель.
Для решения проблемы существуют два метода. В первом методе используется усилительс ОЭ и схемой нейтрализации обратной связи. Такая схема компенсирует, или нейтрализует, отрицательную обратную связь через емкость перехода коллектор-база за счет введения еще одной петли обратной связи, но противоположного знака.
Во втором методе используется усилитель с общим эмиттером, каскодно включенный с усилителем с общей базой (рис. 30.19). Транзистор T1 работает в усилителе с ОЭ, а транзистор T2 — в усилителе с ОБ. Входной сигнал подается на базу транзистора T1. Его эмиттер развязан с шасси через конденсатор С3. Выходной сигнал с коллектора транзистора T1 подается на эмиттер транзистора T2, база которого развязана с шасси через конденсатор С1. Смещение обоих транзисторов обеспечивает резисторная цепочка R1 – R2 – R3.
Hi-Fi-усилители
Английское сокращение Hi-Fi(high fidelity — высокая верность передачи или воспроизведения, читается «хи-фи») используется для обозначения высокого качества. Этот термин применяется в звуковоспроизводящей аппаратуре, которая обеспечивает реалистичное воспроизведение исходного звука, — другими словами, высокое качество воспроизведения. Hi-Fi-системы должны иметь широкую полосу пропускания (40 Гц — 16 кГц), низкий уровень шумов и воспроизводить звук с минимальными искажениями.
Регулировка тембра
регулировка тембра нужна для расширения или сужения (т. е. изменения формы) АЧХ усилителя. Регулировка тембра осуществляется в области нижних (низкочастотный участок АЧХ) и верхних (высокочастотный участок АЧХ) звуковых частот. Для этой цели используются самые различные схемы: начиная от простейшей цепи, состоящей из последовательно включенных конденсатора и резистора, до очень сложных систем с использованием обратной связи. На рис. 30.20 приведена схема регулятора тембра с возможностью независимой регулировки тембра в области нижних и верхних звуковых частот. На элементах R1 и C1 выполнен делитель напряжения поступающего сигнала ЗЧ. Поскольку реактивное сопротивление конденсатора C1 мало па высоких частотах, этот делитель обеспечивает ослабление верхних звуковых частот, причем степень ослабления зависит от установки движка потенциометра R1. Элементы R2 и C2 образуют еще один делитель. Конденсатор C2 имеет высокое реактивное сопротивление в области нижних звуковых частот, поэтому второй делитель ослабляет эти частоты в степени, зависящей от установки потенциометра R2.
Рис. 30.20. Схема регулятора тембра.
Громкоговорители
Громкоговоритель представляет собой преобразователь электрической энергии в акустическую или звуковую энергию. Один из факторов, определяющих выбор громкоговорителя, — его АЧХ по звуковому давлению, т. е. диапазон эффективно воспроизводимых им звуковых частот. Еслидиапазон частот, воспроизводимых данным громкоговорителем, недостаточно широк, можно использовать два громкоговорителя, один из которых хорошо воспроизводит нижние, а другой — верхние звуковые частоты. На рис. 30.21 иллюстрируется один возможный способ разбиение частотного диапазона с помощью разделительного (двухполосного) фильтра.
Рис. 30.21. Двухполосный разделительный фильтр для акустической системы с использованием низкочастотного и высокочастотного громкоговорителей.
Разделительный фильтр состоит из фильтра нижних частот L1 — C1, к выходу которого подключается низкочастотный громкоговоритель, и фильтра верхних частот L2 — C2, связанного с высокочастотным громкоговорителем.
Другими факторами, влияющими на выбор громкоговорителя, являются его выходная мощность, КПД и сопротивление (для согласования с УЗЧ).
В этом видео рассказывается об усилителе мощности для самостоятельной сборки:
Добавить комментарий
radiolubitel.net
Двухтактный усилитель мощности
Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью выполнена на двух транзисторах (VT1иVT2) и представлена на рис.10.4. ТранзисторыVT1иVT2работают поочередно. Входной сигнал подается на базовые цепи транзисторов через входной трансформатор Т1. Нагрузка подключается к каскаду с помощью выходного трансформатора Т2. Коллекторная цепь транзистораVT1подключена к первой секции его первичной обмотки2–1, а транзистораVT2ко второй секции2–2. Коэффициенты трансформации трансформаторов Т1и Т2определяются как:
, (10.10)
. (10.11)
Двухтактный каскад может работать в режиме класса В или АВ. Режим класса АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R1, R2 напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источника питания ЕК. в режиме класса В начальное смещение не создается и резисторR1отсутствует, а резисторR2при этом используется для обеспечения работы входных цепей транзисторов в режиме, близком к режиму источника тока.
Рассмотрим работу схемы в режиме класса В.
При отсутствии входного сигналанапряжения на базах обоих транзисторов относительно их эмиттеров равны нулю. Можно считать, что токи усилителей и напряжение на нагрузке равны нулю. К коллектору каждого транзистора относительно эмиттера приложено постоянное напряжение источника питания ЕК.
При подаче положительной полуволнывходной синусоиды на вторичной обмотке1–1трансформатора Тр1действует отрицательная относительно общей точки обмоток полуволна напряжения, а на вторичной обмотке1–2положительная полуволна. В результате транзисторVT2остается закрытым, а через входную цепь транзистораVT1протекает базовый токiБ1, обусловленный полуволной напряжения на обмотке1–1. При этом транзисторVT1открывается, и через него протекает коллекторный токiK1 = iБ1, а в обмотке2–1создается напряжениеu2–1 = iK1RH~ = iБ1n22RH~. На нагрузке действует положительная полуволна напряженияuH = u2–1 / n2.
При поступлении на вход каскада отрицательной полуволнынапряжения полярность напряжения на вторичных обмотках входного трансформатора изменяется на обратную. В результате транзисторVT1оказывается закрытым, а в усилении сигнала участвует транзисторVT2. На обмотке2–2трансформатора Тр2от протекания токаiK2 = iБ2создается напряжение той же величины, которое будет трансформироваться с обратной полярностью в нагрузочную обмоткуН. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения. Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы. Первый такт сопровождается усилением одной полуволны напряжения с участием первого транзистора, а второй тактусилением другой полуволны с участием второго транзистора.
Графический расчет двухтактного усилителя мощности представлен на рис.10.5. Определим соотношения, характеризующие энергетические показатели каскада. Мощность выходного сигнала определяется площадью заштрихованного треугольника:
РВЫХ.К=UKmIKm / 2. (10.12.)
С учетом потерь мощности в трансформаторе мощность в нагрузке:
РН = Тр2РВЫХ.К. (10.13.)
Т.к. потребляемый от источника питания ток i0является пульсирующим током с амплитудойIKm, его среднее значение
. (10.14.)
Мощность, потребляемая каскадом от источника питания,
. (10.15.)
Из выражений (10.12.), (10.15.) находим КПД коллекторных цепей каскада:
(10.16.)
и КПД всего каскада:
. (10.17.)
Согласно (10.17.), КПД каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив UKm = ЕКиТр= 1, из (10.17.) находим предельное значение КПД:= 0,785. Реальные значения КПД рассматриваемого усилителя мощности составляют 0,6 – 0,7.
Мощность, рассеиваемая в коллекторных переходах обоих транзисторов.
. (10.18.)
В соответствии с (10.18.) мощность РКзависит от величины выходного сигнала каскада. Для определения максимальной мощности РКmпродифференцируем (10.18.) поUKmи приравняем производную к нулю:
, (10.19.)
откуда найдем величину UKm, соответствующуюPKm:
. (10.20.)
Подстановкой (2.20.) в (2.18.) находим выражение для подсчета максимальной мощности, теряемой в транзисторах:
. (10.21.)
Недостатком работы в режиме класса В являются значительные нелинейные искажения выходного напряжения и тока, обусловленные нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора (при малых токах базы). Влияние нелинейного начального участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис.10.6., где входные характеристики обоих транзисторов представлены на общем графике. При синусоидальном входном напряжении форма токовiБ1иiБ2получается искаженной. Вследствие этого искажена и форма токов коллекторовiК1иiК2, а следовательно, и выходное напряжение каскада.
Для устранения нелинейности используют перевод каскада в режим класса АВ, при котором с помощью резисторов R1, R2задается начальное напряжение смещения на базах транзисторов, соответствующее началу относительно линейного участка их вольт-амперной характеристики. Расположение входных характеристик обоих транзисторов с учетом напряжения смещения показано на рис.10.7. При наличии напряжения смещенияUБПи начальных токов обоих транзисторов входной сигнал действует на уменьшение базового тока одного транзистора и увеличение другого, в связи с чем результирующая входная характеристика каскада получается близкой к прямой линии, показанной на рис.10.7. пунктирной линией. При синусоидальном входном напряжении ток базы транзисторов будет определяться полуволнами синусоиды. Для режима работы в классе АВ действительны все приведенные ранее соотношения, т.к. в классе АВ транзисторы работают при небольшом начальном смещении точки покоя.
studfiles.net
Двухтактный усилитель мощности
Схема
двухтактного усилителя мощности с
трансформаторной связью показана на
рис.5. Она выполнена на двух трансформаторах
Т1 и Т2.
Нагрузка Rн подключается с помощью выходного
трансформатора Тр2.
Коллекторная цепь транзистора Т1 подключена к первой секции его первичной
обмотки ω2-1,
а транзистора Т2 ко второй секции ω2-2.
Коэффициент трансформации Трансформатор Тр1,
имеющий коэффициент трансформации
,
выполняет функцию входного трансформатора.
Он обеспечивает подачу входного сигнала
на базовые цепи обоих транзисторов.
Двухтактный каскад может работать в режиме В или АВ. Режим АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R1 и R2 напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источника питания Е. В режиме В начальное смещение не создается и резистор R1 отсутствует.
В отсутствие входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов относительно эмиттеров равны нулю. Токи в усилителе равны нулю и Uвых = 0.
iк1
Iб1
Тр1 Т1 Тр2
R2 Uвых
Uвх — Е + Rн
R1
Т2
Iб2 iк2
Iк
Iкm iк1
О
Iко Uкэ
Е
Uкm
Рис.5
При
подаче входного сигнала, начинающегося
с положительной полуволны, на вторичной
обмотке ω1-1 трансформатора Тр1 действует относительно эмиттеров
отрицательная полуволна напряжения, а
на вторичной обмотке ω1-2 – положительная полуволна. В результате
транзистор Т2 остается закрытым, а через базу транзистора
Т1 протекает ток iб1.
Транзистор Т1 открывается и через него протекает
коллекторный ток iк1 = β
∙
iб1,
а в обмотке ω2-1 создается
напряжение
.На нагрузке
действует положительная полуволна
напряжения .
При поступлении на вход усилителя отрицательной полуволны напряжения полярность напряжений на вторичной обмотке Тр1 изменяется на обратную. Теперь в закрытом состоянии будет находиться транзистор Т1, а в усилении сигнала будет участвовать транзистор Т2. На обмотке ω2-2 трансформатора Тр2 от протекания тока iк2 = β ∙ iб2 создается напряжение той же величины, что и в первом случае, только обратной полярности. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения.
Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы.
Описанный процесс работы каскада поясняют графические построения на рис.5 для такта усиления транзистора Т1. Линия нагрузки каскада по постоянному току, исходящая из точки с координатами (0; Е), проводится почти параллельно оси токов, поскольку сопротивление в коллекторной цепи транзистора определяется малым активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора Тр2. Поскольку в режиме покоя Uбэ = 0 и ток коллектора определяется обратным током Iко, линия нагрузки каскада по переменному току пересекается с линией нагрузки по постоянному току в точке с координатами (Iко; Uкэ≈Е). Линия нагрузки каскада по переменному току проводится с учетом того, что .
Определим соотношения, характеризующие энергетические показатели каскада.
Мощность
выходного сигнала .
С учетом потерь в трансформаторе мощность
в нагрузке.
Так как потребляемый от источника питания ток Iи является пульсирующим током с амплитудой Iкm, его среднее значение
.
Мощность,
потребляемая от источника питания .
КПД
коллекторных цепей каскада и всего каскада
.
И этих соотношений следует, что КПД каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив Uкm = E и ηтр= 1, находим предельное значение КПД: η = 0,785. Реальные значения КПД двухтактного трансформаторного усилителя мощности составляют 0,6 ÷ 0,7, что в 1,5 раза выше, чем в однотактном выходном каскаде.
Мощность, рассеиваемая в коллекторных переходах обоих транзисторов: , или .
Для определения максимальной рассеиваемой мощности Pк max продифференцируем Рк по Uкm и приравняем производную нулю:
,
откуда найдем величину Uкm,
соответствующую Pк max:
.
Подстановкой находим выражение для
подсчета максимальной суммарной
мощности, теряемой в транзисторах:.
Выбор транзисторов по напряжению производят, исходя из его максимального значения, которое может составлять 2Е. Режим В, характеризуемый протеканием через каждый из транзисторов только одной полуволны тока, отличается лучшим их использованием по току. Выбор транзисторов по току производится по величине Iкm. В связи с этим, при одном и том же типе транзисторов, двухтактный каскад обеспечивает большую мощность в нагрузке, чем однотактный.
Однако, отсутствие в режиме В начального смещения приводит к сильным нелинейным искажениям выходного сигнала. Основная причина этого явления – нелинейность входной характеристики транзисторов на начальном участке (при малых токах базы).
Влияние нелинейного участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис. 6а.
Iб
iб1
0
— Uбэ Uбэ t
iб2
Uвх Рис.6 а. Режим В
— Iб
Iб
Uбо
iб1
Iбо
— Uбэ Uбэ t
iб2
Uвх
— Iб Рис.6 б. Режим АВ
Как видно из рис. 6,а при синусоидальном входном сигнале Uвх форма токов iб1 и iб2 получается искаженной. Вследствие этого будет искажена и форма токов коллекторов iк1 и iк2, а следовательно, выходное напряжение каскада.
Для уменьшения искажений в цепи баз обоих транзисторов вводят дополнительные резисторы (R1, R2), которые задают некоторое начальное смещение на базах транзисторов, соответствующее началу линейного участка их вольтамперной характеристики.
При наличии напряжения смещения Uбо и начальных токов Iбо≠0 обоих транзисторов входной сигнал воздействует на уменьшение базового тока одного транзистора и увеличения другого, в связи с чем, результирующая входная характеристика получается близкой к прямой линии, показанной на рис.6,б пунктиром. Влияние нелинейности входных характеристик на режим усиления исключается.
Задание небольшого напряжения смещения Uбо практически не сказывается на энергетических показателях схемы по сравнению с режимом В. Поэтому, для режима АВ действительны все приведенные ранее соотношения.
studfiles.net
5. Усилители мощности
Усилителем мощности (УМ) называют схемы, которые должны обеспечить высокую выходную мощность. Усиление по току здесь играет второстепенную роль. Коэффициент усиления по напряжению мощных каскадов как правило близко к 1. Таким образом, усиление по мощности определяется в основном коэффициентом усиления по току. Выходное напряжение и выходной ток должны принимать как положительные так и отрицательные значения.
Эмиттерный повторитель как усилитель мощности
Рассмотрим схему эмиттерного повторителя, показанную на рис.5.1, как усилителя мощности.
Определим
величину нагрузочного сопротивления,
при котором схема будет отдавать
максимальную неискаженную мощность.
При отрицательном напряжении на выходе
повторителя через резистор нагрузкиRнбудет протекать
часть тока, проходящего через резисторRэ. Максимальное
отрицательное напряжение на нагрузке
будет в том случае, когда ток через
транзистор будет равным нулю, то есть
когда транзистор будет закрыт. В этом
случае напряжение на выходе будет равно
Uвых min= -UпRн / (Rэ+Rн).
Если входной сигнал представляет собой неискаженную синусоиду, его амплитуда не будет превышать величины
Uвых max=UпRн / (Rэ+Rн).
Мощность в нагрузке при максимальной амплитуде сигнала будет равна
Pн=Uп2Rн/ 2(Rэ+Rн)2.
Максимальное значение мощности будет достигнуто в том случае, когда сопротивление нагрузки будет равно эмиттерному сопротивлению Rн=Rэ, что следует из условияdPн/dRн= 0, и определяется из следующего выражения
Pн max=Uп2/ 8Rэ.
Можно определить мощность, потребляемую каждым элементом схемы, а затем определить суммарную мощность, потребляемую всей схемой. Мощность, потребляемая всей схемой определяется из выражения
Pсум= Рн+ РVT+PRэ= 2(Uп2/Rэ).
Из анализа формулы можно сделать выводы, что мощность, потребляемая схемой постоянна и не зависит от величины входного сигнала и нагрузки. Коэффициент полезного действия схемы η определяется как отношение максимальной мощности в нагрузке к потребляемой мощности от источника питания
η = Pн max/Pсум= 6,25 %.
Рассмотренная схема обладает двумя характерными особенностями:
ток через транзистор никогда не равен 0;
суммарная мощность, потребляемая схемой от источника питания, является постоянной.
Эти особенности являются отличительными признаками режима А.
В эмиттерном повторителе, мощность в нагрузке ограничена конечным значением тока, протекающего через резистор Rэ. Существенно большей мощности в нагрузке и более высокого коэффициента полезного действия можно достигнуть, заменив резисторRэ дополнительным эмиттерным повторителем.
5.2. Двухтактный усилитель мощности на комплементарных транзисторах
Схема двухтактного усилителя мощности на комплементарных транзисторах показана рис.5.2.
Схема
представляет собой два эмиттерных
повторителя, построенных на транзисторах
разного типаn-p-nиp-n-pи работающих на одно эмиттерное
сопротивлениеRн.
В этом случае в качестве сопротивления
нагрузки выступает эмиттерное
сопротивление.
Схема работает в два такта. при положительном входном сигнале (в первом такте) транзистор VT1 работает как эмиттерный повторитель, а транзисторVT2 закрыт. При отрицательном входном сигнале (во втором такте) – наоборот – транзисторVT2 открыт, транзисторVT1 закрыт. Таким образом, транзисторы работают попеременно, каждый в течение одного полупериода входного сигнала. Такой режим работы называется двухтактным режимом В.
ПриUвх= 0 оба транзистора
заперты, следовательно, схема имеет
малый ток покоя. ток потребляемый как
от положительного, так и от отрицательного
источника напряжения. равен току в
нагрузке. Поэтому схема обладает
значительно большим коэффициентом
полезного действия по сравнению с
обычным эмиттерным повторителем.
Выходное напряжение при любой нагрузке
может достигать ±Uп,
поскольку транзистор не ограничивает
выходной ток. Разность между входным и
выходным напряжениями равно напряжению
база – эмиттер открытого транзистора
и при изменении нагрузки меняется
незначительно. Следовательно,Uвыхне зависит от нагрузки. Мощность в
нагрузке обратно пропорциональна
сопротивлениюRни
не имеет экстремума. Таким образом, в
схеме не требуется согласования нагрузки,
и максимальная мощность на выходе
определяется лишь предельным током и
максимальной мощностью рассеяния
используемых транзисторов. Коэффициент
полезного действия схемы достигает
величины 78,5%.
Однако схема не лишена и недостатков. Так транзисторы в схеме открываются когда напряжение |Uвх| достигнет величины приблизительно 0,6 В. В промежутке
-0,6 В < |Uвх| < 0,6 В
транзисторы закрыты и напряжения на выходе равно нулю. Поэтому при переходе входного сигнала через ноль на выходе схемы возникают искажения которые называются переходными. Для устранения переходных искажений необходимо задать некоторый малый ток транзисторов при входном сигнале равном нулю. Переходные искажения в достаточной степени будут уменьшены, даже если ток покоя транзисторов составляет незначительную часть максимального тока нагрузки. такой режим работы усилителя называют двухтактным режимом АВ. В этом режиме переходные искажения настолько малы, что с помощью обратной связи могут быть снижены до пренебрежимо малой величины.
На рис.5.3 приведена схема двухтактного каскада, работающего в режима АВ. Для обеспечения малого тока покоя используются источники смещения Uсм, величиной порядка 0,6 – 0,7 В. При этом выходной потенциал покоя равен входному потенциалу покоя.
Основная проблема режима АВ состоит в необходимости поддержания неизменным тока покоя в широком диапазоне температур. При повышении температуры транзистора ток покоя увеличивается. Это приводит к дальнейшему росту температуры транзистора и в результате к его тепловому разрушению Такой эффект называется термической положительной обратной связью.
Для стабилизации тока покоя используются резисторы Rэ, которые обеспечивают отрицательную обратную связь по току. Эффективность обратной связи увеличивается с увеличением величины этих резисторов. Однако, поскольку резисторыRэвключены последовательно сRн, они снижают мощность, отдаваемую в нагрузку. По этой причине величина резисторовRэвыбираются малыми по сравнению с величиной сопротивленияRн.
Способы задания напряжения смещения
Одним из способов задания напряжения смещения показан на рис.5.4.
Падение напряжения на диодах VDприблизительно равно 0,7 В. При этом напряжении через транзисторыVT1 иVT2 течет небольшой ток покоя. Величины резисторовRвыбираются так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала. Поэтому величины этих резисторов небольшие, порядка сотен Ом. Это значительно снижает входное сопротивление схемы.
Для увеличения входного сопротивления вместо диодов могут использоваться эмиттерные повторители, как показано на рис.5.5.
Усилитель мощности с составными транзисторами
Для больших токов нагрузки используются
мощные транзисторы, у которых коэффициент
β редко бывает выше 50. Таким образом
базовые токи мощных транзисторов могут
достигать десятков и сотен миллиампер.
Для повышения коэффициента β могут
использоваться составные транзисторы
(в зарубежной литературе – схемы
Дарлингтона). Схема
составного транзистора показана на
рис.6. Она представляет собой соединение
двух транзисторов, у которых коллекторы
соединены, а эмиттер одного транзистора
соединен с базой другого. Такую схему
можно рассматривать как некоторый новыйn-p-nтранзистор с выводами Б, К, Э. Коэффициент
усиления по току такого транзистора
равен β =dIК/dIБ=β1β2. Для того, чтобы транзисторVT2, быстро закрывался,
параллельно его переходу база – эмиттер
включают сопротивление. Промышленность
выпускает составные транзисторы в виде
законченных модулей, включающих, как
правило, и эмиттерный резистор. Схема
усилителя мощности на комплементарных
составных транзисторах показана на
рис.5.7.
Ограничение выходного тока
Из-за
малого выходного сопротивления усилителя
мощности они легко перегружаются и
разрушаются. Поэтому целесообразно
использовать схемные решения,
ограничивающие максимальную величину
выходного тока усилителя мощности. Один
из вариантов усилителя мощности с
ограничением выходного тока показан
на рис.5.8. Рассмотрим как происходит
ограничение тока транзистораVT1.
Ограничение токаVT2
осуществляется аналогичным образом.
При повышении выходного тока возрастает
напряжение на эмиттерном резистореR1.
И когда сумма напряженийUбэ VT1+UR1достигнет величины отпирания диодаVD3, он отпирается и фиксирует
напряжениеUбэ VT1+UR1.
Напряжение на резистореR1
возрастать больше не будет. «Лишний»
ток базы будет отводиться через диодVD3 в нагрузку. Максимальный
выходной ток при этом определяется
следующим образом:
Iвых max= (UVD3–Uбэ VT1) /R1.
Как видно из этого соотношения прямое падение напряжения на диоде VD3 должно быть большеUбэ VT1≈ 0,7 В, иначе транзистор будет закрыт. Для выполнения этого условия в схеме используется светодиод, у которого прямое падение напряжения составляет 1,3 –2,4 В в зависимости от его типа. Также можно использовать последовательное включение нескольких кремниевых диодов.
Другой способ ограничения выходного тока показан на рис.5.9. В этой схеме ограничение выходного тока обеспечивается с помощью транзисторов VT3 иVT4. ТранзисторVT3 открывается, когда падение напряжения на резистореR1 достигнет величины примерно в 0,6 В. При этом дальнейшее возрастание тока транзистораVT1 не произойдет, так как напряжение на резистореR1 будет зафиксировано напряжениемUбэ VT3≈ 0,6 В. Открывшийся транзисторVT3 отведет лишний ток базы транзистораVT1 в нагрузку. В этой схеме максимальный выходной ток ограничен величиной
Iвых max=Uбэ VT3/R1 = 0,6 В/R1.
Ограничение тока транзистора VT2 осуществляется аналогичным образом.
Преимущество
такой схемы заключается в том, что
ограничение максимального тока
определяется не сильно изменяющимся
напряжением база-эмиттер выходных
транзисторов, а напряжением база –
эмиттер транзисторов ограничения.
РезисторыR3 иR4
служат для защиты транзисторов
ограничителя от больших пиковых значений
тока базы. Падением напряжения на них
можно пренебречь из — за их малости.
Контрольные вопросы
Что такое усилитель мощности?
Какие недостатки эмиттерного повторителя как усилителя мощности?
Какие отличительные признаки режима А усилителя мощности?
Приведите схему двухтактного усилителя мощности. Нарисуйте временные диаграммы ее работы.
Что такое переходные искажения? Как их устранить?
Какие отличительные признаки режима В и АВ усилителя мощности?
Какие существуют способы смещения в усилителе мощности? Приведите схемы?
Зачем в усилителях мощности используют составные транзисторы? Нарисуйте схему усилителя мощности на составных транзисторах.
Зачем необходимо ограничивать выходной ток усилителя мощности?
Приведите схемы ограничения тока усилителя мощности.
Зачем в усилителе мощности вводят отрицательную обратную связь?
studfiles.net
Двухтактные усилители | Техника и Программы
В двухтактных усилителях (звуковых или радиочастотных) используются два транзистора, включенных на балансной схеме. Выходная мощность двухтактного усилителя более чем в два раза выше выходной мощности, получаемой в однотактной схеме. Кроме того, в двухтактной схеме снижается содержание четных гармоник в сигнале, поэтому для данного напряжения питания усилитель позволяет получать большую неискаженную мощность.
Рис. 1.14. Двухтактная схема с бестрансформаторным выходом.
Как уже обсуждалось в разд. 1ЛО, на входы двухтактного усилителя, собранного на одинаковых транзисторах, необходимо подавать сигналы, сдвинутые по фазе на 180°. Поэтому при работе в классе С или В транзисторы попеременно открываются в каждом периоде входного сигнала; полный выходной сигнал получается при сложении сигналов каждой половины в выходном трансформаторе. При работе в классе А проводимости транзисторов усилителя в каждом полупериоде входного сигнала различны. Поэтому, когда ток первого транзистора увеличивается, ток второго транзистора уменьшается. Таким образом, на вторичной обмотке трансформатора выделяется суммарная мощность выходных сигналов двух транзисторов.
Рис 1.15. Бестрансформаторный двухтактный усилитель низкой частоты на транзисторах с проводимостью разного типа.
Два варианта построения схем двухтактных усилителей были рассмотрены в разд. 1.10 (рис. 1.13). На рис. 1.14 показан еще один тип схемы двухтактного усилителя низкой частоты. Здесь используется входной трансформатор с двумя вторичными обмотками, а выходной трансформатор отсутствует. Как и в других транзисторных усилителях, транзисторы n — р — n-типа, изображенные на рис. 1.14, а можно заменить транзисторами р — n — р-типа, изменив соответствующим образом полярность источников питания. Как можно видеть из рис. 1.14, отрицательное напряжение, поступающее от источника питания В2через катушку громкоговорителя, создает необходимое прямое смещение эмиттерного перехода транзистора Т2. Так как нижний вывод источника питания В2и коллектор Т2заземлены, то потенциал коллектора Т2выше потенциала эмиттера, что необходимо для создания обратного смещения коллекторного пеое-хода. Требуемый положительный потенциал базы транзистора Т2относительно эмиттера обеспечивается при помощи делителя напряжения на резисторах R1 и R2; делитель связан с источником питания В2через заземленный коллектор транзистора Т2. Полярность падений напряжений на резисторах указана на рисунке; как можно видеть, потенциал базы Т2положителен относительно эмиттера.
Прямое смещение для транзистора Т3 также создается делителем напряжения на резисторах Rз и R4, подключенных к батарее В1. Падение напряжения на резисторе R4 обеспечивает положительный потенциал базы транзистора T3 и отрицательный потенциал эмиттера. Отрицательный вывод батареи В1соединен непосредственно с эмиттером транзистора T3, а необходимое обратное смещение коллекторного перехода этого транзистора создается подключением коллектора к положительному выводу батареи В1через катушку громкоговорителя.
Как показано на рисунке, входной трансформатор имеет две вторичные обмотки, что обеспечивает поступление входных напряжений на двухтактный усилитель в противофазе, т. е. сигнал, приложенный к базе одного транзистора, находится в противофазе с сигналом базы другого транзистора.
Коллекторно-эмиттерные цепи транзисторов Т2и Tz как бы включены последовательно с источниками питания. Оба транзистора соединены с катушкой индуктивности громкоговорителя так, что указанные элементы образуют мост, эквивалентная схема которого приведена на рис. 1.14, б. Если транзисторы хорошо подобраны, то падения напряжений на них будут равны. А если напряжения источников питания одинаковы и равны их внутренние сопротивления, то мост окажется сбалансированным и постоянный ток через катушку громкоговорителя будет равен нулю. Когда на вторичных обмотках входного трансформатора появится звуковой сигнал, то на базу одного транзистора поступит положительная полуволна, а на базу другого — отрицательная. В связи с этим проводимость одного транзистора возрастет, а другого уменьшится, через транзисторы потекут разные токи и мост разбалансируется. Разбаланс моста приведет к появлению сигнального напряжения на катушке громкоговорителя, и, следовательно, через нее потечет ток сигнала, а в громкоговорителе появится звук.
Сопротивление катушки громкоговорителя, необходимое для согласования с транзисторным двухтактным усилителем, намного меньше сопротивления, требуемого для согласования с двухтактным усилителем на лампах. Так как транзисторные схемы имеют малое выходное сопротивление, они хорошо согласуются с низкоомными громкоговорителями.
На рис. 1.15 показана схема двухтактного усилителя на двух транзисторах с проводимостью разного типа. В этой схеме транзистор ti не является фазоинвертором, поскольку с его выхода на базовые входы транзисторов Т2и Tz (подаются сигналы одной и той же фазы и полярности. Предположим, что на входы транзисторов поступает положительная полуволна сигнала. Положительный входной сигнал увеличивает прямое смещение транзистора Т2n — р — n-типа, а следовательно, и его проводимость. Прямое же смещение транзистора 7з и его проводимость при этом уменьшаются, поскольку это транзистор с другим типом проводимости. Таким образом, действие входного сигнала на транзистор Т5обратно действию на транзистор Т2.
При отрицательном входном сигнале прямое (Смещение транзистора Т2уменьшается, а транзистор а Т3увеличивается. Теперь проводимость Т2уменьшилась, а проводимость Т3увеличилась, т. е. схема, собранная на транзисторах с проводимостью разного типа, обеспечивает такие же выходные параметры, как схема двухтактного усилителя на транзисторах одного типа с фа-зоинвертором или трансформатором. Таким образом, в последней схеме также реализуется двухтактный режим работы, при котором в одни моменты времени на резистор R& поступает положительный сигнал через R6, а в другие моменты — отрицательный через R7. Следовательно, в положительные полупериоды сигнал на громкоговоритель поступает через резистор R&, а в отрицательные через резистор R? Цепочка R4C4 обеспечивает отрицательную обратную связь в схеме (см. разд. 1.8). В качестве резистора R5 служит термистор, сопротивление которого меняется при изменениях температуры. Этим достигается стабилизация токов и напряжений транзисторов.
При работе громкоговорителя резистор rq отключен. Если же в гнездо вставить штекер телефона, то громкоговоритель отключается, а последовательно с телефоном для предохранения его от перегрузок включается резистор сопротивлением 120 Ом. Это стандартный способ подключения телефона, причем величина сопротивления резистора может достигать 330 Ом. Иногда в схемах такого типа исключают разделительный конденсатор Cs, а нижний вывод громкоговорителя присоединяют непосредственно к земле. Конденсатор Cs (220 мкФ) представляет собой малое реактивное сопротивление для сигналов звуковых частот и поэтому заземляет их. Так как выводы транзистора Т2имеют более высокие потенциалы относительно земли, чем выводы транзистора Г3 (коллектор которого заземлен), то для симметрирования схемы и выравнивания токов выходных транзисторов иногда используют дополнительные резисторы и конденсаторы.
nauchebe.net
4. Двухтактный усилитель мощности
Схема двухтактного
усилителя мощности с трансформаторной
связью представлена на рис. 2.19. По такой
схеме в многокаскадном усилителе обычно
выполняется оконечный каскад и на его
вход через трансформатор Трподается напряжение с предоконечного
каскада, работа которого рассмотрена
в предыдущем разделе.
Рисунок 2.19. Схема двухтактного усилителя мощности
Вторичная
обмотка трансформатора
Тримеет отвод от средней точки, так что с
крайних отводов этой обмотки на базы
транзисторов мгновенные напряжения
поступают противоположной полярности
относительно средней, нулевой точки.
Выбором сопротивления резистора
R
обеспечивается работа транзисторов в
режиме классаВ.
Усиление в схеме рис. 2.19 происходит в
два такта: в течение положительного
полупериода входной сигнал усиливается
одним транзистором (Т
,
как показано на рис. 2.19), а в течение
отрицательного полупериода – другим
транзистором. Графическое представление
процесса усиления одним из транзисторов
дается рис. 2.20. Линии нагрузок по
постоянному и переменному токам проходят
так же, как и на рис. 2.18, точка покоя
находится на вольтамперной характеристике
для IБ= 0.
Временная зависимость коллекторного
тока транзистора в течение одного такта
видна из рис. 2.20. Эти токи транзисторов
протекают по входной обмотке трансформатораТр2,
которая также имеет нулевой отвод.
Причем токи каждого транзистора,
протекающие по своей части этой обмотки,
имеют противоположные направления, так
что направление тока, протекающего в
первичной обмотке трансформатора
Тр2,
изменяется каждый полупериод входного
сигнала. Таким образом, несмотря на то,
что каждый транзистор работает в
нелинейном режиме, в результате сложения
их токов в выходном трансформаторе
происходит взаимная компенсация всех
гармонических составляющих за исключением
основной гармоники, частота которой
совпадает с частотой входного сигнала.
Этим обеспечивается отсутствие при
усилении искажение сигнала.
Рисунок 2.20. Графическое определение мгновенных значений тока
и напряжения выходной цепи транзистора в составе
двухтактного усилителя мощности
Потребляемый
двухтактной схемой ток от источника
питания Еимеет вид непрерывного ряда импульсов,
форма которых показана в левой части
рис. 2.20. Амплитуда этих импульсов
равнаI
,
а их длительность — полупериоду входного
сигнала. Постоянная составляющая
потребляемого тока равна среднему
значению тока, протекающего через оба
транзистора,
(2.31)



Откуда величина КПД рассматриваемого усилителя:
η =
= 0,25 π
.(2.32)
Максимальная величина КПД в режиме без искажения усиливаемого сигнала получается, когда точка А на рис. 2.20 достигнет участка вольтамперной характеристики, где коллекторный переход находится в открытом состоянии. В таком режиме
U ≈ Е
.
η
≈ 0,785.
Реальное значение КПД двухтактного усилителя мощности не превышает 60 – 70 %, что в 1,5 раза больше, чем в однотактном усилителе.
5. Обратные связи в усилителях
Под обратной
связью понимается передача информации
с выхода устройства или системы на его
или ее вход. В электронных устройствах,
в частности, в усилителе она используется
для улучшения его показателей или
придания ему новых свойств. На рис. 2.23
представлена структурная схема усилителя
с обратной связью. Усилитель характеризуется
комплексным коэффициентом усиления ,
а цепь обратной связи – комплексным
коэффициентом передачи
.
Рисунок 2.23. Структурная схема усилителя с обратной связью
Обратные связи классифицируются по способу передачи выходного сигнала в цепь обратной связи (по току или напряжению) и по способу введения этой цепью сигнала во входную цепь усилителя (параллельное или последовательное). Если выходная нагрузка и вход цепи обратной связи соединены последовательно, как показано на рис. 2. 24.а, то такая связь осуществляется по току, если же они соединены параллельно (рис. 2.24.б) – происходит связь по напряжению. Если цепь, по которой подается сигнал от внешнего источника и выход цепи обратной связи к выходу собственно усилителя подсоединены параллельно, как показано на рис. 2.24.в, то такая обратная связь является параллельной. Если же цепь от внешнего источника и выход цепи обратной связи соединены последовательно (рис. 2.24.г) – обратная связь последовательная.
В случае параллельной обратной связи по напряжению на входе самого усилителя напряжение равно:
=
+
,
(2.37)
Рисунок 2.24. Виды обратных связей в усилителе
а – по току, б – по напряжению,
в – параллельная, г — последовательная
где — напряжение от внешнего источника,
— напряжение, поступающее по цепи обратной
связи. Если левую и правую части
соотношения (2.37) разделить на
(напряжение на выходе усилителя), то
нетрудно получить
=
+
,
(2.38)
где u=
— коэффициент усиления по напряжению
собственно усилителя;
uос=
— коэффициент усиления по напряжению
усилителя, охваченного обратной связью;
=
— коэффициент передачи напряжения.
Откуда uос =
.
(2.39)
Из соотношения
(2.39) следует, что наличие обратной связи
в усилителе может оказать существенное
влияние на величину коэффициента
усиления. Это влияние зависит от условий
суммирования входного напряжения и
напряжения обратной связи на входе
усилителя. Наиболее интересны два
крайних случая: когда суммирование
напряжений происходит в фазе и противофазе.
В первом случае, при положительной
обратной связи, на входе усилителя
напряжения складываются, а в соотношении
(2.39) произведение является положительной и вещественной
величиной. Во втором случае, при
отрицательной обратной связи они
вычитаются, и произведение
— отрицательная и вещественная величина.
Очевидно, при положительной обратной связи, когда 1 > Кu χu > 0, коэффициент усиления усилителя, охваченного петлей обратной связи, становится больше коэффициента усиления собственно усилителя. Если Кu χu = 1,Кuос → ∞. В этом случае в усилителе устанавливается стационарный генераторный режим, когда выходной сигнал обеспечивается только за счет усиления сигнала, поступающего по цепи обратной связи. Условие Кu χu > 1 соответствует установлению в усилителе генераторного режима, т.е. такой режим не будет стационарным.
Случай, когда Кu χu < 0, соответствует отрицательной обратной связи, при которой коэффициент усиления становится меньше коэффициента усиления усилителя без обратной связи. Отрицательная обратная связь часто вводится в схему усилителя для достижения стабильности коэффициента усиления (при уменьшении его величины). В этом можно убедиться, продифференцировав соотношение (2.39), записанного для случая отрицательной обратной связи
d
Кuос = = .
Деление этого соотношения на соотношение для Ku, записанного для случая отрицательной обратной связи, дает выражение для относительных изменений коэффициентов усиления
=
∙
.(2.40)
Откуда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в (1 + Кu χu) раз меньше коэффициента усиления усилителя без такой связи.
Аналогичные выводы о влиянии положительной и отрицательной обратной связи можно получить, когда она осуществляется по току. Только в этом случае в соответствующих соотношениях в качестве параметров должны использоваться коэффициент усиления по току и коэффициент передачи тока.
Необходимо
отметить, что отрицательная обратная
связь используется в схеме усилительного
каскада на рис. 2.3 для температурной
стабилизации положения точки покоя на
выходной характеристике транзистора.
Действительно, при наличии резистора
Rповышение температуры транзистора
приводит к уменьшению величины базового
тока, в результате чего происходит
смещение точки покоя в направлении,
противоположном тому, которое получается
при повышении температуры (см. разд.
2.5).
Введение отрицательной обратной связи изменяет величину выходного сопротивления усилителя. В этом можно убедиться, если выход усилителя представить в виде эквивалентного источника ЭДС и определить его внутреннее сопротивление с учетом подключения цепи обратной связи. Очевидно, это сопротивление, определяемое как отношение величин напряжения в режиме холостого хода к току короткого замыкания
(2.41)
и является выходным сопротивлением усилителя, охваченного петлей обратной связи.
Для случая отрицательной обратной связи по напряжению входящее в соотношение (2.41) выходное напряжение усилителя в режиме холостого хода можно определить из следующего уравнения:
UВЫХ ХХ= Кu (UВХ – UОС) = Кu (UВХ – χuUВЫХ ХХ).
Откуда:
При коротком замыкании UВЫХ КЗ= 0, UОС КЗ= 0, величина ЭДС эквивалентного источника равнаКu UВХ, а ток на выходе усилителя:
где RВЫХ – выходное сопротивление собственно усилителя. После подстановки полученных соотношений в (2.41) получается:
(2.42)
Таким образом, введение
отрицательной обратной связи по
напряжению уменьшает выходное
сопротивление усилителя в раз.
При обратной связи по току в режиме холостого хода на выходе цепи обратной связи сигнал отсутствует, поскольку выходная цепь усилителя разомкнута. Поэтому на выходе усилителя напряжение
UВЫХ ХХ = UВХ Кu.
В режиме короткого замыкания на выходе усилителя напряжение при обратной связи по току равно UУ. Следовательно, ЭДС эквивалентного источника равнаUУКu, а поэтому величина тока:
Напряжение UУпри отрицательной обратной связи
UУ= UВХ — UВЫХ
КЗ = UВХ —
UУ.
Откуда
UУ =
Поэтому, согласно (2.41):
(),
т.е. при наличии отрицательной обратной связи по току выходное сопротивление усилителя увеличивается.
Величина входного сопротивления усилителя, охваченного петлей обратной связи, зависит от способа подачи сигнала по цепи обратной связи на его вход. Например, при последовательной отрицательной обратной связи соотношение для входного сопротивления можно записать в виде:
(),
где RВХ – входное сопротивление собственно
усилителя. Таким образом, введение
последовательной отрицательной обратной
связи увеличивает входное сопротивление
усилителя в()раз.
studfiles.net
Лекция №11 Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности
11.1 Общие сведения
Непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь усилительных элементов позволяет исключить трансформатор. Трансформаторы создают частотные и нелинейные искажения. Трансформаторные каскады не способны пропускать широкую полосу частот, а за счет больших фазовых сдвигов в таких каскадах или становится невозможным применение глубокой обратной связи. Трансформаторы громоздки, обладают большей массой и, в отличие от транзисторов, диодов и резисторов, не могут являться элементами интегральных схем.
Транзисторные бестрансформаторные усилители получили большое распространение из-за своих весьма высоких качественных показателей. Они являются основным звеном современной аппаратуры высококачественного усиления звуковых частот и наиболее перспективны, так как могут быть реализованы в интегральном исполнении.
11.2. Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности
Бестрансформаторный усилитель представляет собой двухтактный каскад с последовательным питанием и параллельным возбуждением однофазным несимметричным напряжением, рис.11.1.
Рис.11.1. Бестрансформаторный усилитель мощности.
По
постоянному току транзисторы V2 и V3 включены
последовательно, а по переменному —
параллельно. Поэтому выходное сопротивление
каскада уменьшается, что снижает
оптимальное сопротивление нагрузки,
приближая его к сопротивлению
электродинамических громкоговорителей
(4 или 8 Ом). Внешняя нагрузка подключается к общей точке эмиттеров
через разделительный конденсатор С1,
сопротивление которого на низшей
рабочей частоте должно быть невелико
по сравнению с
.
Поэтому эта емкость С1 выбирается с большим номиналом.
Использование транзисторов с одинаковыми параметрами, но разной структурой позволяет объединить входные цепи плеч и исключить фазоинверсный каскад, так как сигнал, открывающий транзистор типа р-n-р, будет закрывать транзистор n-р-n. Плечи работают в противофазе и поочередно. Отрицательная полярность сигнала открывает V2 и закрывает V3. Выходной ток, протекая через С1, заряжает ее до 0,5Е. При положительной полярности транзистор V2 закрывается и открывается V3. Источником питания в этот период является заряд емкости С1. Следовательно, такой каскад может возбуждаться однофазным напряжением от обычного резисторного каскада с непосредственной связью.
Бестрансформаторные каскады могут работать как в режиме А, так и в режиме В, но более часто используется экономичный режим В. Транзисторы в режиме В могут работать и без смещения, однако в этом случае появляются искажения типа «ступеньки», характерные для режима В.
Для
обеспечения начального смещения и
выходных транзисторов V2 и V3 используют терморезистор
или диод, включенный в коллекторную
цепь транзистора V1 последовательно с резистором нагрузки
.
Ток покоя транзистора V1 предоконечного каскада, проходя через
,
создает на нем небольшое падение
напряжения, которое равно суммарному
напряжению смещения
.
Так как транзисторы оконечного каскада
включаются последовательно по
постоянному току, кроме того, их
коллекторные напряжения должны быть
одинаковыми, то общая точка эмиттеров
транзисторовV2 и V3 будет иметь
потенциал относительно общего провода,
равный 0,5Е0.
Терморезистор осуществляет стабилизацию тока
покоя оконечных транзисторов, так как
его сопротивление, а, следовательно,
и падение напряжения смещения на нем
уменьшаются при повышении температуры.
Терморезистор или диод устанавливается
на радиаторе одного из оконечных
транзисторов в непосредственной
близости от него, так что их температуры
будут примерно одинаковыми. В первом
каскаде используется эмиттерная
стабилизация точки покоя транзистора V1.
Для стабилизации потенциала общей точки эмиттеров (0,5Ео) используется отрицательная обратная связь (ООС), охватывающая оба каскада. Ее элементами являются резисторы R1 и R2, одновременно образующие делитель смещения в цепи базы транзистора V1. OOC не только стабилизирует напряжение 0,5Е0, но и улучшает качественные показатели усилителя, так как она введена по постоянному и переменному токам.
Однако эта схема бестрансформаторного усилителя обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что обычный резисторный каскад не может обеспечить необходимой амплитуды возбуждения для полного использования выходных транзисторов, а это значительно снижает КПД усилителя. Так как выходные транзисторы оказываются включенными с общим коллектором (ОК), то напряжение возбуждения, подводимое к их входной цепи должно превышать выходное.
studfiles.net