Двухтактный усилитель мощности – 12.2. Двухтактные усилители мощности

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.

	Рис. 30.8. Влияние отвода от первичной обмотки трансформатора в    резонансном контуре. Первичная обмотка L3 играет роль автотрансформатора.		Рис. 30.9. Транзисторный усилитель мощности звуковой частоты с заземленным эмиттером.

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

V_a, находящийся в фазе с входным сигналом, и сигнал V_b, противофазный входному сигналу. В то время как положительный полупериод сигнала V_aсоответствует положительному периоду входного сигнала, положительный полупериод сигнала V_bсоот­ветствует отрицательному полупериоду входного сигнала. Транзисторы T₁ и T₂ открываются, когда потенциал базы транзистора становится по­ложительным по отношению к потенциалу эмиттера. Таким образом, транзистор T₁ открыт в течение положительного полупериода сигнала V_a. При этом через него протекает ток i₁ от эмиттера к коллектору и далее через верхнюю половину первичной обмотки выходного трансфор­матора Tp₂ к источнику питания V_CC. Этот ток создает положитель­ный полупериод выходного сигнала на вторичной обмотке трансформато­ра Tp

2. Транзистор T₂ открыт в положительном полупериоде сигнала V_b, при этом ток i₂ протекает снизу вверх (в обратном по отношению к току i₁ направлении) через нижнюю половину трансформатора Tp₂, создавая отрицательный полупериод выходного сигнала на его вторичной обмотке. Выходной трансформатор с отводом от средней точки первичной обмотки объединяет эти два полупериода в один полный период выходного сигна­ла. Транзисторы T₁ и T₂ включены по схеме с общим эмиттером и имеют при этом относительно высокое выходное сопротивление. Так как сопро­тивление нагрузки выходного каскада очень мало, обычно менее 10 Ом в случае громкоговорителя, всегда используется согласующий трансфор­матор Tp₂.

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

R₁ и R₂ образу­ют общую цепь смещения для обоих транзисторов. Нелинейности двух транзисторов компенсируют друг друга, и на выходе воспроизводится не­искаженный сигнал.

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

npn-типа, называемые комплементарной парой. Принцип его работы основан на том факте, что положитель­ный сигнал открывает прп-транзистор, а отрицательный сигнал — рпр-транзистор. На рис. 30.13 приведена базовая схема двухтактного усили­теля на комплементарных транзисторах (иногда называемая каскадом с дополнительной симметрией). Транзисторы T₁ и T₂ работают в режи­ме класса В, т. е. в точке отсечки. Используются два источника пи­тания: +V_CC и –V_CC. В положительном полупериоде входного сигнала транзистор T₁ открыт, а транзистор T₂ закрыт. Ток i₁ транзистора T₁ создает положительную полуволну тока в нагрузочном резисторе R. В отрицательном полупериоде открывается транзистор T₂, и теперь его ток i₂, имеющий противоположное току i₁ направление, протекает через на­грузочный резистор. Таким образом, на нагрузке формируется полный синусоидальный сигнал, соответствующий двум половинам полного пери­ода входного сигнала. Следует отметить, что в рассматриваемом каскаде транзисторы включены по схеме с общим коллектором, то есть как эмиттерные повторители, поскольку выходной сигнал снимается с эмиттеров транзисторов.

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

1 работает в предвыходном каскаде (предусилителе мощности). Цепь сме­щения R₁ — R₂ обеспечивает работу этого каскада в режиме класса А. При подаче питания устанавливается нормальный статический режим тран­зистора T₁ (транзистор открыт). Разделительный конденсатор Сз раз­ряжен. Следовательно, потенциал точки А, где соединяются эмиттеры транзисторов T₂ и T₃, равен нулю. Однако базы этих транзисторов нахо­дятся под положительным потенциалом, определяемым напряжением на коллекторе транзистора T₁. Это положительное напряжение открывает транзистор T₂. Транзистор T₃ (рпр-типа) при этом закрыт. Таким обра­зом, ток i₂, протекающий через открытый транзистор, будет заряжать конденсатор C₃, как показано на схеме. По мере заряда этого конденса­тора возрастает напряжение в точке А. Процесс зарядки продолжается до тех пор, пока не закроется транзистор T

2. Это происходит в тот момент, когда напряжение на эмиттере этого транзистора (в точке А) сравнива­ется с напряжением на его базе.

Если статический режим транзистора T₁ выбран таким образом, что его коллекторное напряжение равно 0,5V_CC, то транзистор T₂ закроется, как только потенциал точки А возрастет до 0,5V_CC. 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

2 и T₃. Комплементарная пара выходных транзисторов обеспечивает дальнейшее усиление сигнала, как это рыло описано выше при рассмотрении базовой схемы.

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 R_F. 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 R_F.

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 υ_f есть напряжение обратной связи, которое добавляется к входному на­пряжению υ_i для получения эффективного входного напряжения e_i, 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

υ_f  = βυ₀

Эффективный сигнал на входе усилителя υ_i = e_i + υ_f = e_i + 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 e_i = υ_i – υ_f, 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 e_i = υ_i + υ_f,  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 e_i = 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 обмотки_2–1, а транзистораVT₂ко второй секции_2–2. 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 Е_К. 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 Е_К.

При подаче положительной полуволнывходной синусоиды на вторичной обмотке_1–1трансформатора Тр₁действует отрицательная относительно общей точки обмоток полуволна напряжения, а на вторичной обмотке_1–2положительная полуволна. В результате транзисторVT₂остается закрытым, а через входную цепь транзистораVT₁протекает базовый токi_Б1, обусловленный полуволной напряжения на обмотке_1–1. При этом транзисторVT₁открывается, и через него протекает коллекторный токi_K1 = i_Б1, а в обмотке_2–1создается напряжениеu_2–1 = i_K1R_H~ = i_Б1n₂²R_H~. На нагрузке действует положительная полуволна напряженияu_H = u_2–1 / 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 обмотке_2–2трансформатора Тр₂от протекания токаi_K2 = i_Б2создается напряжение той же величины, которое будет трансформироваться с обратной полярностью в нагрузочную обмотку_Н. 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 тактусилением 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:

Р_ВЫХ.К=U_KmI_Km / 2. (10.12.)

С учетом потерь мощности в трансформаторе мощность в нагрузке:

Р_Н = _Тр2Р_ВЫХ.К. (10.13.)

Т.к. потребляемый от источника питания ток i₀является пульсирующим током с амплитудойI_Km, 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 U_Km = Е_Ки_Тр= 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 Р_Кзависит от величины выходного сигнала каскада. Для определения максимальной мощности Р_Кmпродифференцируем (10.18.) поU_Kmи приравняем производную к нулю:

, (10.19.)

откуда найдем величину U_Km, соответствующуюP_Km:

. (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 токовi_Б1иi_Б2получается искаженной. Вследствие этого искажена и форма токов коллекторовi_К1иi_К2, 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 смещенияU_БПи 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 R_н подключается с помощью выходного трансформатора Тр₂. Коллекторная цепь транзистора Т₁ подключена к первой секции его первичной обмотки ω_2-1, а транзистора Т₂ ко второй секции ω_2-2. 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 U_вых = 0.

i_к1

I_б1

Тр₁ Т₁ Тр₂

R₂ U_вых

U_вх — Е ⁺ R_н

R₁

Т₂

I_б2 i_к2

I_к

I_кm i_к1

О

I_ко U_кэ

Е

U_кm

Рис.5

При подаче входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке ω_1-1 трансформатора Тр₁ действует относительно эмиттеров отрицательная полуволна напряжения, а на вторичной обмотке ω_1-2 – положительная полуволна. В результате транзистор Т₂ остается закрытым, а через базу транзистора Т₁ протекает ток i_б1. Транзистор Т₁ открывается и через него протекает коллекторный ток i_к1 = β ∙ i_б1, а в обмотке ω_2-1 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 ω_2-2 трансформатора Тр₂ от протекания тока i_к2 = β ∙ i_б2 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 U_бэ = 0 и ток коллектора определяется обратным током I_ко, линия нагрузки каскада по переменному току пересекается с линией нагрузки по постоянному току в точке с координатами (I_ко; U_кэ≈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 I_и является пульсирующим током с амплитудой I_кm, 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 U_кm = E и η_тр= 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 P_{к max} продифференцируем Р_к по U_кm и приравняем производную нулю:

, откуда найдем величину U_кm, соответствующую P_{к 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 I_кm. 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.

I_б

i_б1

0

— U_бэ U_бэ t

i_б2

U_вх Рис.6 а. Режим В

— I_б

I_б

U_бо

i_б1

I_бо

— U_бэ U_бэ t

i_б2

U_вх

— I_б Рис.6 б. Режим АВ

Как видно из рис. 6,а при синусоидальном входном сигнале U_вх форма токов i_б1 и i_б2 получается искаженной. Вследствие этого будет искажена и форма токов коллекторов i_к1 и i_к2, 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 U_бо и начальных токов I_бо≠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 U_бо 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.

1. 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 нагрузкиR_нбудет протекать часть тока, проходящего через резисторR_э. 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

U_{вых min}= -U_пR_н / (R_э+R_н).

Если входной сигнал представляет собой неискаженную синусоиду, его амплитуда не будет превышать величины

U_{вых max}=U_пR_н / (R_э+R_н).

Мощность в нагрузке при максимальной амплитуде сигнала будет равна

P_н=U_п²R_н/ 2(R_э+R_н)².

Максимальное значение мощности будет достигнуто в том случае, когда сопротивление нагрузки будет равно эмиттерному сопротивлению R_н=R_э, что следует из условияdP_н/dR_н= 0, и определяется из следующего выражения

P_{н max}=U_п²/ 8R_э.

Можно определить мощность, потребляемую каждым элементом схемы, а затем определить суммарную мощность, потребляемую всей схемой. Мощность, потребляемая всей схемой определяется из выражения

P_сум= Р_н+ Р_VT+P_Rэ= 2(U_п²/R_э).

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 = P_{н max}/P_сум= 6,25 %.

Рассмотренная схема обладает двумя характерными особенностями:

1. ток через транзистор никогда не равен 0;

2. 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 R_э. Существенно большей мощности в нагрузке и более высокого коэффициента полезного действия можно достигнуть, заменив резисторR_э 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 сопротивлениеR_н. 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.

ПриU_вх= 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 ±U_п, 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,U_выхне зависит от нагрузки. Мощность в нагрузке обратно пропорциональна сопротивлениюR_ни 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 |U_вх| достигнет величины приблизительно 0,6 В. В промежутке

-0,6 В < |U_вх| < 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 U_см, 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 R_э, которые обеспечивают отрицательную обратную связь по току. Эффективность обратной связи увеличивается с увеличением величины этих резисторов. Однако, поскольку резисторыR_эвключены последовательно сR_н, они снижают мощность, отдаваемую в нагрузку. По этой причине величина резисторовR_эвыбираются малыми по сравнению с величиной сопротивленияR_н.

3. 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.

3. 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 =dI_К/dI_Б=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.

3. 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 напряженийU_{бэ VT1}+U_R1достигнет величины отпирания диодаVD3, он отпирается и фиксирует напряжениеU_{бэ VT1}+U_R1. Напряжение на резистореR1 возрастать больше не будет. «Лишний» ток базы будет отводиться через диодVD3 в нагрузку. Максимальный выходной ток при этом определяется следующим образом:

I_{вых max}= (U_VD3–U_{бэ VT1}) /R1.

Как видно из этого соотношения прямое падение напряжения на диоде VD3 должно быть большеU_{бэ 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 напряжениемU_{бэ VT3}≈ 0,6 В. Открывшийся транзисторVT3 отведет лишний ток базы транзистораVT1 в нагрузку. В этой схеме максимальный выходной ток ограничен величиной

I_{вых max}=U_{бэ 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.

3. Контрольные вопросы

1. Что такое усилитель мощности?

2. Какие недостатки эмиттерного повторителя как усилителя мощности?

3. Какие отличительные признаки режима А усилителя мощности?

4. Приведите схему двухтактного усилителя мощности. Нарисуйте временные диаграммы ее работы.

5. Что такое переходные искажения? Как их устранить?

6. Какие отличительные признаки режима В и АВ усилителя мощности?

7. Какие существуют способы смещения в усилителе мощности? Приведите схемы?

8. Зачем в усилителях мощности используют составные транзисторы? Нарисуйте схему усилителя мощности на составных транзисторах.

9. Зачем необходимо ограничивать выходной ток усилителя мощности?

10. Приведите схемы ограничения тока усилителя мощности.

11. 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 T_z 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 T_z (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 Rобеспечивается 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 I_Б= 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)

_кm sin ωt dωt = I _кm.

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 > К_u χ_u > 0, коэффициент усиления усилителя, охваченного петлей обратной связи, становится больше коэффициента усиления собственно усилителя. Если К_u χ_u = 1,К_uос → ∞. В этом случае в усилителе устанавливается стационарный генераторный режим, когда выходной сигнал обеспечивается только за счет усиления сигнала, поступающего по цепи обратной связи. Условие К_u χ_u > 1 соответствует установлению в усилителе генераторного режима, т.е. такой режим не будет стационарным.

Случай, когда К_u χ_u < 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 К_uос = = .

Деление этого соотношения на соотношение для K_u, 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 + К_u χ_u) 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:

U_{ВЫХ ХХ}= К_u (U_ВХ – U_ОС) = К_u (U_ВХ – χ_uU_{ВЫХ ХХ}).

Откуда:

При коротком замыкании U_{ВЫХ КЗ}= 0, U_{ОС КЗ}= 0, величина ЭДС эквивалентного источника равнаК_u U_ВХ, а ток на выходе усилителя:

где R_ВЫХ – 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

U_{ВЫХ ХХ} = U_ВХ К_u.

В режиме короткого замыкания на выходе усилителя напряжение при обратной связи по току равно U_У. Следовательно, ЭДС эквивалентного источника равнаU_УК_u, а поэтому величина тока:

Напряжение U_Упри отрицательной обратной связи

U_У= U_ВХ — U_{ВЫХ КЗ} = U_ВХ — U_У.

Откуда

U_У =

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 R_ВХ – 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 (0,5Е_о) 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