Трансформаторные усилители мощности реферат
Обновлено: 05.07.2024
4.8. Расчет разделительных конденсаторов……………………………….
5. АЧХ и ФЧХ усилителя на транзисторе VT4……………………………….
6. Расчет искажений на верхних частотах…………………………………….
8. Расчет радиаторов охлаждения……………………………………………..
9. Технология изготовления печатных плат…………………………………..
1. Техническое задание
Необходимо спроектировать и рассчитать усилитель мощности со следующими параметрами:
на выходе он должен обеспечивать при нагрузке Rн=19,8185 Ом мощность Pвых=5,7427 Вт;
Диапазон частот работы усилителя мощности 59,5728 Гц – 59572,8 Гц;
Значения частотных искажений Мн=1,0151, Мв=1,1Мн=1,11661;
Значение коэффициента нелинейных искажений, которые должны обеспечивать выходной каскад усилителя мощности Kf=0,0624 %;
Аттенюатор с ослаблением 0; -0,1763 дБ; -1,763 дБ; -17,63 дБ.
Усилитель мощности предназначен для создания требуемой мощности сигнала в нагрузке. Усилитель колебаний низкой частоты – составная часть каждого современного радиоприемника, телевизора или магнитофона. Усилитель является основой радиовещания по проводам, аппаратуры телеуправления, многих измерительных приборов, электронной автоматики и вычислительной техники, кибернетических устройств.
3. Блок-схема
Выходной каскад предназначен для обеспечения заданной мощности на заданном сопротивлении нагрузки.
Повторитель 3 увеличивает входное сопротивление выходного каскада.
Аттенюатор служит для плавной и ступенчатой регулировки уровня ослабления выходного напряжения.
Повторитель 2 увеличивает входное сопротивление аттенюатора.
Усилители 1, 2 увеличивают входное напряжение до величины, необходимой для выходного каскада.
Повторитель 1 увеличивает входное сопротивление усилителя 2, для того, чтобы обеспечить величину входного напряжения и сопротивления усилителя 1 указанного в техническом задании.
4. Расчет каскадов усилителя мощности
4.1. Выходной каскад
1. Определим амплитудные значения тока и напряжения:
Приняв Uз = 0,7В получили Eк = 43,118В, округлим это значение до стандарта, т.е. примем Eк = 45В
5. Выберем тип транзисторов VT12, VT13 (n-p-n) соответствующий найденным параметрам:
6. Определим ток покоя VT12, VT13:
7. Определим величину резисторов защиты:
, выбираем по Е24, R38,40 = 1,8 Ом
8. Определим ток покоя VT10, VT11:
, выбираем по E24, R37,39 = 18 Ом
10. Определим мощность, рассеиваемую на VT10, VT11:
11. Выберем тип транзисторов VT10(n-p-n), VT11(p-n-p) соответствующий найденным параметрам:
12. Определим величину напряжения смещения U0 по равенству:
13. Определим ток покоя транзистора VT9:
, примем Iп9 = 0,015А, тогда
15. Определим мощность, рассеиваемую на VT9:
16. Выберем тип транзисторов VT9(n-p-n) соответствующий найденным параметрам:
17. Выберем R35 >> Rн, то есть R35 = 200 Ом
Тогда R36 = 1449,4 – 200 = 1249 Ом = 1,249 кОм
18. Определим величину емкости C15 из условия:
Примем C15 = 47мкФ
19. Определим емкость в цепи компенсации:
Примем C18 = 220мкФ
20. Определим коэффициент передачи повторителя на транзисторах VT10 – VT13:
21. Проверим правильность выбранного значения Uкэ9:
22. Определим входное сопротивление выходного каскада в целом:
23. Величина R~ для предварительного каскада равна:
24. Найдем входное сопротивление транзистора VT9:
25. Определим коэффициент усиления предварительного каскада:
26. Определим коэффициент усиления всего выходного каскада:
27. Выбираем ток базового делителя VT9:
28. Определим резистор делителя:
Примем R30 = 910 Ом
Выберем R34 из условия R34 > Rн. Одновременно для уменьшения необходимой емкости конденсатора фильтра C16 желательно выбирать как можно больше.
Поэтому принимаем R31 = 1300 Ом = 1,3 кОм, R34 = 12000 Ом = 12 кОм
29. Определим емкость конденсатора фильтра:
Примем C16 = 3300мкФ
30. Определим неизвестные сопротивления:
31. Определим падения напряжений на резисторах:
32. Рассчитаем мощности резисторов:
33. Рассчитаем напряжения на конденсаторах:
34. Рассчитаем глубину ООС:
35. Рассчитаем входное сопротивление выходного каскада:
36. Рассчитаем эквивалентное сопротивление:
Примем R29 = 1600 Ом
37. Определим коэффициент усиления выходного каскада с ООС:
4.2. Повторитель 3
Нагрузкой для данного повторителя будет являться входное сопротивление выходного каскада, т.е. сопротивление R28 цепи обратной связи, а за амплитуду выходного напряжения примем входное напряжение выходного каскада, т.е.:
1. Вычислим значение тока протекающего через нагрузку:
2. Определим параметры транзистора VT8:
3. Выберем тип транзистора VT8 (n-p-n) соответствующий найденным параметрам:
4. Определим значение тока базы VT8:
5. Определим падение напряжения на R24:
6. Определим параметры транзистора VT7:
7. Выберем тип транзистора VT7 (n-p-n) соответствующий найденным параметрам:
8. Определим значение тока базы VT7:
9. Определим значение тока делителя:
Выберем ток базового делителя из условия, что Iд>>Iб. Примем:
10. Найдем значение резистора R24:
11. Найдем значение резистора R23:
R23 = (5-10) кОм. Примем R23 = 10000 Ом, тогда
12. Определим падения напряжений на резисторах базового делителя:
13. Определим значения резисторов базового делителя:
15. Определим входное сопротивление транзистора VT7:
16. Определим коэффициент передачи повторителя:
17. Определим входное напряжение повторителя:
18. Вычислим значение входного сопротивления повторителя:
19. Определим величину емкости конденсатора С12, исходя из условия:
Примем C16 = 100 мкФ
20. Определим напряжение на конденсаторах:
21. Определим мощности резисторов:
4.3. Аттенюатор
Аттенюатор должен обеспечивать дискретное переключение диапазонов и плавное изменение сигнала внутри них:
Для нормальной работы аттенюатора необходимо выполнение следующего условия:
1. Для обеспечения максимального ослабления (-17.63 . -1.763) дБ:
Округлим найденное значение сопротивления по раду Е24: R43=7,5кОм
Тогда максимальное ослабление в этом диапазоне будет:
2. Для диапазона (-1.763 . -0.1763) дБ
Округлим найденное значение сопротивления по раду Е24: R42=240 Ом
Тогда максимальное ослабление в этом диапазоне будет:
3. Для диапазона (-0.1763 . 0) дБ
Округлим найденное значение сопротивления по раду Е24: R41=22 Ом
Тогда максимальное ослабление в этом диапазоне будет:
4. Рассчитаем напряжения на резисторах аттенюатора:
Для UR25 возьмём наибольшее значение, т.е. когда ослабление наименьшее:
Рассчитаем мощности данных резисторов:
4.4. Повторитель 2
Нагрузкой для данного повторителя будет являться эквивалентное сопротивление, т.е. параллельное соединение сопротивления R44 аттенюатора и Rвх предыдущего повторителя, а за амплитуду выходного напряжения примем входное напряжение того же повторителя, т.е.:
1. Вычислим значение тока протекающего через нагрузку:
2. Определим параметры транзистора VT6:
3. Выберем тип транзистора VT6 (n-p-n) соответствующий найденным параметрам:
4. Определим значение тока базы VT6:
5. Определим падение напряжения на R20:
6. Определим параметры транзистора VT5:
7. Выберем тип транзистора VT5 (n-p-n) соответствующий найденным параметрам:
8. Определим значение тока базы VT5:
9. Определим значение тока делителя:
Выберем ток базового делителя из условия, что Iд>>Iб. Примем:
10. Найдем значение резистора R20:
11. Найдем значение резистора R19:
R19 = (5-10) кОм. Примем R19 = 10000 Ом, тогда
12. Определим падения напряжений на резисторах базового делителя:
13. Определим значения резисторов базового делителя:
15. Определим входное сопротивление транзистора VT5:
16. Определим коэффициент передачи повторителя:
17. Определим входное напряжение повторителя:
18. Вычислим значение входного сопротивления повторителя:
19. Определим величину емкости конденсатора С9, исходя из условия:
Примем C9 = 100 мкФ
20. Определим напряжение на конденсаторах:
21. Определим мощности резисторов:
4.5. Усилитель 2
Нагрузкой для данного усилителя будет являться входное сопротивление предыдущего каскада RвхП2, а амплитудой выходного сигнала будет амплитуда входного сигнала повторителя, т.е.:
Расчет каскада по постоянному току:
1. Определим ток в нагрузке:
2. Ориентировочно зададим значения Iкmin и Uкэmin, используя соотношения:
4. Зададимся значением γэ и вычислим λ:
Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Поможем написать работу на аналогичную тему
Похожие рефераты:
Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)
1. РАСЧЁТ ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.1 Таблица 1.1 Расчётные данные 10.5 Исходя из начальных данных, выбираем стабилитрон с параметрами приведёнными в табл. 1.2.
Overview Лист1 Лист2 Sheet 1: Лист1 U0вых,В U1вых,В Iпот,мкА Iвх, мкА К176 К561 К155 30000 К555 19000 3000 0.25 0.33 0.11 0.31 3.33 0.01 3.33 0.67 0.67 1.25
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ На тему:" РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ " ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 1.Рассчитать источник опорного напряжения на стабилитроне, если известны такие входные данные: напряжение стабилизации
Содержание Введение Литературный обзор Анализ технического задания Синтез структурной схемы Анализ принципиальной схемы мультивибратора управления разверткой
Расчетно-графическая работа по курсу электроники. Расчет однокаскадного усилителя. Вариант №25. Задание: Требуется рассчитать однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе, схема которого приведена ниже. В этой схеме тип транзистора определяется полярностью заданного напряжения.
СОДЕРЖАНИЕ Введение. Особенности конструирования современной радиотехнической аппаратуры. Обоснование выбора принципиальной электрической схемы.
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ (ТЕХН. УНИВЕРСИТЕТ)
Министерство образования Российской Федерации Институт переподготовки кадров Уральского государственного технического университета Кафедра микропроцессорной техники
Министерство общего и профессионального образования РФ СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Фак. Инженерно - физический Каф. Радиоэлектроники
Формат зона Поз. Обозначение Наименование Примечание Документация КП.1910.04.005 СБ Сборочный чертеж Схема электрическая принципиальная Детали
Московский Авиационный Институт (технический университет) Кафедра 404 Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине “Конструирование и технологии изделий МЭ”
Московский техникум космического приборостроения. Курсовой проект По технологии и автоматизации производства. Разработка процесса изготовления
Курсовая работа по усилительным устройствам. ВАРИАНТ № 7 Выполнил: ст.гр.04 - 414 Уткин С.Ю. Проверил: Харламов А.Н. ЭТАП №1 Исходные данные для расчета .
Химкинский техникум космического энергомашиностроения. Курсовой проект на тему: Разработка технологического процесса изготовления печатной платы для широкодиапазонного генератора импульсов.
Реферат Курсовой проект содержит 37 листа, 23 иллюстрации, 1 таблицу. Цель: - углубить знания студентов по курсам, связанным с темой курсового проекта;
Техническое задание. Рассчитать схему усилителя низкой частоты с блоком питания. Исходные данные: коэффициент усиления по напряжению - 80; верхняя граничная частота - 10 кГц;
Реферат Курсовая работа оформлена на 35 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, 16 источников использованной литературы и 5 приложений.
2. Расчёт структурной схемы Амплитуда входного и выходного тока: = 0,0015 /5 = 3 мкА; вых m вых m = 0,25 / 50 = 5 мА; Определим общий коэффициент усиления:
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Основные показатели работы усилителей
Классификация усилителей
Электронным усилителем называется устройство, позволяющее преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе без существенного искажения их формы. Эффект увеличения мощности возможен при наличии в устройстве некоторого внешнего источника, энергия которого используется для создания повышенной мощности на выходе. Этот источник энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиленных сигналов, называется источником питания.
Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала при помощи усилительных, или активных элементов. Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь усилителя, к которой нагрузка подключена, – выходной цепью, или выходом усилителя. Источник входного сигнала, который нужно усилить, называется источником сигнала, или входным источником или генератором, а цепь усилителя, в которую вводят входной сигнал, называется входной цепью, или входом усилителя.
Любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого нелинейного элемента.
Обобщенная структурная схема усилительного устройства приведена на рисунке 3.1. Для обеспечения усиления сигнала усилитель (У), последовательно с которым соединен источник питания Еп, должен включать в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом U1. К входной (управляющей) цепи усилителя подключен источник ЕС усиливаемого сигнала (при этом Zc – комплексное значение внутреннего сопротивления источника), а к выходной – нагрузочное устройство с сопротивлением Zн.
Рисунок 3.1. Обобщенная структурная схема усилительного устройства
Обычно, в первом приближении, сопротивления считают активными, учитывая их комплексность только при рассмотрении специфических вопросов.
Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.п.
Деление усилителей на типы обычно осуществляют по назначению усилителя, характеру входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливаемых частот, виду используемых активных элементов.
По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование – усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относят к усилителям напряжения. Если основное требование – усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень мощности сигнала. Ниже будут приведены необходимые соотношения, характеризующие усиление напряжения, тока и мощности.
В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных электрических сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей относятся устройства для усиления электрических импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искажениями их формы. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний является определяющим при нахождении формы выходного сигнала. В пределах данного курса мы будем изучать усилители гармонических сигналов.
Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на следующие типы.
Усилители постоянного тока (УПТ) (точнее, усилители медленно меняющихся напряжений и токов) предназначены для усиления электрических колебаний в пределах от низшей частоты fн, равной нулю, до верхней рабочей частоты fв усилителя, составляющей нередко десятки и сотни килогерц. Эти усилители широко применяются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.
Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты. Для усилителей низкой частоты (УНЧ) справедливо неравенство fв – fн >> fн. Частотный спектр (УНЧ) лежит в пределах от десятков герц до десятков (сотен) килогерц. В усилителях высокой частоты усиление сигнала осуществляется в диапазоне частот, определяемых неравенством fв – fн 1000. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Во многих случаях усиленные сигналы воспроизводятся на экране электронно-лучевой трубки и регистрируются визуально. Поэтому часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители с успехом используются также в устройствах автоматики, и вычислительной техники.
По роду применяемых активных элементов усилители делятся на транзисторные, магнитные, диодные, ламповые, параметрические и др. В качестве активных элементов в настоящее время в усилителях чаще используются полевые или биполярные транзисторы либо интегральные схемы. Широко применявшиеся ранее усилительные лампы в разработке новой усилительной аппаратуры практически не используются. Значительно реже, чем транзисторы и интегральные схемы, применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные типы полупроводниковых диодов.
Приведенная классификация рассматривает усилительные устройства с разных позиций. Поэтому для полной характеристики конкретного усилителя необходимо знание всех его основных признаков.
Основные технические показатели усилителей
Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:
по напряжению Ku = U2 / U1;
по току Ki = I2 /I1;
по мощности Кр = Р2 / Р1,
где U1, U2, I1, I2 – действующие (или амплитудные) напряжения и токи.
Так как P1 = U1 I1 и P2 = U2 I2, то коэффициент усиления по мощности Kp = Ku Ki.
Значение коэффициента усиления К у различных усилителей напряжения может иметь величину порядка десятков и сотен. Но и этого в ряде случаев недостаточно для получения на выходе усилителя сигнала требуемой мощности. Тогда прибегают к последовательному (каскадному) включению ряда усилительных каскадов (рисунок 3.2). Для многокаскадных усилителей 1 общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. При последовательном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т.е.
Кобщ = К1 К2…. . Кn. (3.1)
Рисунок 3.2. Структурная схема многокаскадного усилителя
Коэффициент усиления, вычисленный по формуле (3.1), представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен
KP [дБ] = 10 lg (P2/P1) = 10 lg KP. (3.2)
Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, для коэффициентов усиления по току и напряжению можно записать соответственно:
KI [дБ] = 20 lg (I2/I1) = 20 lg KI,
KU [дБ] = 20 lg (U2/U1) = 20 lg KU. (3.2*)
Обратный переход от децибел к безразмерному числу производится при помощи выражения
где N = 10 при расчете коэффициента усиления по мощности и N = 20 – при расчетах по напряжению и току.
Широкому использованию логарифмического представления коэффициентов усиления способствует и то, что многие направления, в которых применяются усилители, связаны с техникой, воздействующей на чувства человека. А восприятие человека описываются логарифмическими зависимостями. Например, громкость звукового сигнала, по ощущениям человека, увеличится в два раза при увеличении его мощности в 10 раз.
Если принять Кu = 1 дБ, то при определении коэффициента усиления по напряжению
Рисунок 3.3. Амплитудно- и фазочастотная характеристики усилителя
Коэффициент усиления на графике может быть представлен по-разному – либо в абсолютных, либо в относительных значениях. Применение относительных значений обусловлено значительным технологическим разбросом значений коэффициента усиления отдельных образцов реальных усилителей. Поэтому для удобства взаимного сопоставления АЧХ усилителей с различными значениями Км их обычно нормируют, представляя выходной параметр в виде относительной величины, т.е.
где К(?) и Km – коэффициент усиления на частоте ? и максимальное значение коэффициента усиления.
Как видно из рисунка 3.3, а, при изменении частоты входного сигнала от нуля до бесконечности модуль коэффициента усиления вначале возрастает, достигая постепенно на некоторой частоте максимальной величины К0, а затем вновь уменьшается. Основная причина этих изменений – наличие в схеме реактивных элементов. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме усилителя реактивных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных емкостей усилительных элементов, емкости монтажа и т.п. Зависимость величины реактивного сопротивления от частоты не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широкой полосе частот.
Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называют зависимость фазового сдвига выходного сигнала относительно входного от частоты входного сигнала. Типичный вид фазовой характеристики показан на рисунке 3.3, б. По оси абсцисс откладываются значения частоты входного сигнала в логарифмическом масштабе, а по оси ординат – аргумент комплексного коэффициента усиления усилителя (в градусах или радианах) в линейном масштабе.
На частотах, равных нулю и стремящихся к бесконечности, создаются конечные фазовые сдвиги, так как усилитель имеет в схеме конечное число реактивных элементов. В области средних частот рабочей полосы усилителя фазовые сдвиги, как правило, незначительны; в области нижних и верхних частот фазовые сдвиги возрастают.
При построении схемы использована теорема об эквивалентном источнике, согласно которой любую, сколь угодно сложную схему, всегда можно представить в виде источника напряжения (ЭДС) и включенного последовательно с ним резистора, соответствующего выходному сопротивлению. Это применено при изображении генератора и выходной цепи усилителя. С другой стороны, входную цепь любого каскада всегда можно представить в виде резистора, соответствующего эквивалентному входному сопротивлению такого каскада, что сделано применительно к входной цепи усилителя и нагрузки.
Обычно наибольшие частотные искажения возникают (допускаются) на границах диапазона частот fн и fв. Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны
где Кн, Кв – соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона.
Из определения коэффициента частотных искажений следует, что если М > 1, то частотная характеристика в области анализируемой частоты имеет завал, а если М 3 . Основными составляющими шумов усилителя являются: шумы усилительных элементов, тепловые шумы различных цепей усилителя; шумы микрофонного эффекта, вызванные воздействием на узлы и детали усилителя механических толчков и вибраций, фон, обусловленный воздействием на цепи усилителя пульсаций напряжения питания, наводки, определяемые воздействием на цепи усилителя посторонних источников сигналов и источников помех и т.п.
где частоту и сопротивление выражают в килогерцах и килоомах, а результат в микровольтах.
Все цепи усилителя создают напряжение тепловых шумов, однако особенно большое влияние оказывают собственные шумы первых усилительных каскадов, так как эти шумы в дальнейшем усиливаются всеми последующими каскадами. Если, например, высшая и низшая рабочие частоты усилителя равны 10 000 и 100 Гц, а активное сопротивление входной цепи составляет 500 Ом, то напряжение тепловых шумов будет равно
Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей УМ является выделение в нагрузке возможно большей мощности сигнала, усиление напряжения в нем является второстепенным фактором.
Основными задачами при проектировании УМ являются:
◆ обеспечение режима согласования выходного сопротивления УМ с нагрузкой с целью передачи в нагрузку максимальной мощности;
◆ достижение минимальных нелинейных искажений сигнала;
◆ получение максимального КПД.
УМ классифицируются по:
◆ способу усиления — на однотактные и двухтактные;
◆ способу согласования — на трансформаторные и бестрансформаторные;
◆ классу усиления — на классы A, B, AB, C, D.
В качестве методов проектирования могут применяться:
◆ графоаналитические (построение ДХ и т.д.);
◆ по усредненным параметрам.
Для всех рассмотренных ранее усилительных каскадов предполагалось. Что они работают в режиме класса А. Выбор рабочей точки покоя, например для БТ, (см. рисунок 2.10) производится таким образом, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора, а значение Iб0 располагалось на середине этого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора в режиме класса А рабочая точка (Iк0, Uк0) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. Поскольку режим А характерен работой транзисторов на почти линейных участках своих ВАХ, то УМ в этом режиме будет иметь минимальные НИ (обычно KГ≤1%).
При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии, следовательно, угол отсечки (половина времени за период, в течение которого транзистор открыт) φост=180°. Потребление мощности источника питания происходит в любой момент, поэтому каскады, работающие в режиме класса А, характеризуются невысоким КПД (в идеале — 50%, реально — (35…45)%). Режим усиления класса А в УМ применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные НИ, а мощность и КПД не имеют решающего значения.
Более мощные варианты выходных каскадов работают в режиме класса В, характеризующегося φост=90° (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1. Режим класс B
В режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания, а открывается только в течение половины периода входного сигнала. Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в УМ класса B значение КПД до 70%. Режим класса В обычно применяется в двухтактных УМ. Основной недостаток УМ класса B — большой уровень НИ (KГ≤10%).
Режим класса АВ занимает промежуточное значение между режимами класса А и В и применяется в двухтактных УМ. В режиме покоя через транзистор протекает небольшой ток покоя Iк0 (рисунок 4.2), выводящий основную часть рабочей полуволны входного гармонического сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью.
Рисунок 4.2. Режим класс AB
Угол отсечки в режиме класса АВ достигает (120…130)°, КПД и НИ — средние между значениями для режимов классов А и В.
В режиме класса C транзистор заперт смещением Uсм (рисунок 4.3), φост=90°, поэтому УМ класса С более экономичны, чем УМ класса В.
Рисунок 4.3. Режим класс C
Однако в режиме класса С велики НИ, поэтому класс С применяется, в основном, в генераторах и резонансных усилителях, где высшие гармонические составляющие отфильтровываются резонансным контуром в цепи нагрузки.
В мощных усилителях — преобразователях находит применение режим класса D или ключевой режим работы усилительных элементов. Данный режим, в сочетании с широтно-импульсной модуляцией, позволяет мощные экономичные УМ, в т.ч. и для систем звуковой трансляции.
Таким образом, активный элемент в УМ может работать как без отсечки тока (класс А), так и с отсечкой (классы АВ, В, С, D). Класс усиления задается положением рабочей точки в режиме покоя.
В качестве однотактных бестрансформаторных УМ могут быть применены уже рассмотренные каскады с ОЭ (ОИ) и ОК (ОС), выполненные на мощных БТ или ПТ, причем эмиттерный (истоковый) повторитель эффективен при низкоомной (порядка единиц Ом) нагрузке. Основной недостаток таких каскадов — в режиме согласования с нагрузкой КПД≤25%.
Однотактные трансформаторные УМ имеют КПД≤50% за счет оптимального согласования с нагрузкой с помощью трансформатора (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4. Однотактный трансформаторный УМ
Сопротивление нагрузки по переменному току равно:
где n — коэффициент трансформации, n=U1/U2.
Данный каскад находит ограниченное применение в современной схемотехнике УМ из-за ряда существенных недостатков:
◆ больших частотных искажений за счет трансформатора;
◆ больших НИ за счет тока подмагничивания трансформатора;
◆ невозможности реализации в виде ИМС.
Трансформаторные УМ подробно описаны в классических учебниках по УУ, например, в[5,6].
Двухтактные УМ ввиду возможности использования режимов АВ, В, С и D характеризуются лучшими энергетическими показателями. На рисунке 4.5 приведена схема двухтактного УМ с трансформаторной связью.
Рисунок 4.5. Двухтактный трансформаторный УМ
При работе данного УМ в режиме класса В, цепь резистора Rб2 отсутствует. Трансформатор Tp1 осуществляет согласование входа УМ с источником сигнала, трансформатор Tp2 согласует выходное сопротивление УМ с сопротивлением нагрузки. Трансформатор Tp1 выполняет еще и функции фазоинвертора (см. на рисунке 4.5 фазировку его обмоток).
Усиление сигнала в рассматриваемом УМ происходит в два такта работы устройства. Первый такт сопровождается усилением положительной полуволны гармонического сигнала с помощью транзистора VT2, второй — усилением отрицательной полуволны гармонического сигнала с помощью VT1.
Графический и энергетический расчет двухтактного трансформаторного УМ двухтактного достаточно полно представлены в классических учебниках по усилительным устройствам, например, [5,6]. Энергетический расчет показывает, что КПД такого УМ реально достигает порядка 70%, что примерно в 1,5 раза больше чем у однотактных УМ.
При выборе типа для УМ следует учитывать то обстоятельство, что на коллекторе закрытого транзистора действует напряжение, равное примерно 2·Eк, что объясняется суммированием Eк и напряжения на секции первичной обмотки Tp2.
Вследствие того, что каждый транзистор пропускает ток только для одной полуволны гармонического сигнала, режим класса В характеризуется лучшим использованием транзистора по току.
Поскольку токи в секциях обмоток трансформаторов протекают в разных направлениях, отсутствует подмагничивание их сердечников. Отметим так же, что в двухтактном УМ исключена (при симметрии плеч УМ) паразитная ОС по источнику питания и в выходном сигнале отсутствуют четные гармонические составляющие.
Как уже отмечалось выше, отсутствие тока покоя в УМ класса В приводит к появлению значительных НИ. Вследствие нелинейности входных ВАХ, выходной сигнал в двухтактном УМ класса В имеет переходные искажения типа "ступеньки" (рисунок 4.6).
Рисунок 4.6. Искажения сигнала в двухтактном трансформаторном УМ
Уменьшение НИ возможно путем перехода к режиму класса АВ (см. рисунки 4.2 и 4.6). Т.к. токи покоя в режиме класса АВ малы, то они практически не влияют на энергетические показатели УМ.
Поскольку трансформатор является весьма "неудобным" элементом при выполнении УМ в виде ИМС и вносит существенные искажения в выходной сигнал усилителя, УМ с трансформаторами находят ограниченное применение в современной схемотехнике УУ.
В современной электронике наиболее широко применяются бестрансформаторные двухтактные УМ. Такие УМ имеют хорошие массогабаритные показатели и просто реализуются в виде ИМС.
Возможно построение двухтактных бестрансформаторных УМ по структурной схеме, показанной на рисунке 4.7.
Рисунок 4.7. Структурная схема УМ с использованием ФИ
Здесь ФИ — фазоинверсный каскад предварительного усиления (драйвер), УМ — двухтактный каскад усиления мощности.
В качестве драйвера может использоваться каскад с разделенной нагрузкой (рисунок 4.8).
Рисунок 4.8. Каскад с разделенной нагрузкой
Можно показать, что при , .
Несмотря на такие достоинства, как простота и малые частотные и нелинейные искажения, каскад с разделенной нагрузкой находит ограниченное применение из-за малого K0 и разных Rвых, что приводит к несимметричности АЧХ выходов в областях ВЧ и НЧ.
Гораздо чаще применяются ФИ на основе дифференциального каскада (ДК) (рисунок 4.9).
Рисунок 4.9. Фазоинверсный каскад на основе ДК
ДК будут рассмотрены далее, пока же отметим, что через Rэ будет протекать удвоенный ток покоя транзисторов VT1 и VT2 и, следовательно, номинал резистора Rэ в схеме фазоинверсного каскада уменьшается вдвое по сравнению с расчетом каскада с ОЭ.
При рассмотрении, например, левой половины фазоинверсного каскада видно, что в цепи эмиттера транзистора VT1 (включенного с ОЭ) присутствует Rэ и параллельно ему входное сопротивление транзистора VT2 (включенного с ОБ), RвхОБ≈1/S0.
Обычно берут Rэ>>RвхОБ (или заменяют Rэ эквивалентом высокоомного сопротивления в виде источника стабильного тока, который будет рассмотрен в дальнейшем вместе с ДК), поэтому можно подставить вместо Rос в выражение для глубины ПООСТ (см. подраздел 3.2) RвхОБ:
Следовательно, можно считать, что в фазоинверсном каскаде присутствует ПООСТ с глубиной, равной двум. Принимая во внимание, что относительно эмиттера VT2 транзистор VT1 включен по схеме с ОК, нетрудно показать, что при идентичности параметров транзисторов K01≈K02≈K0/2, т.е. коэффициенты передачи по напряжению плеч фазоинверсного каскада на основе ДК равны половине коэффициента передачи каскада с ОЭ.
Довольно широко применяется ФИ на комплиментарных транзисторах, вариант схемы которого представлен на рисунке 4.10.
Рисунок 4.10. ФИ на комплиментарных БТ
Использование комплиментарной пары транзисторов VT1 и VT2, имеющих разную проводимость, но одинаковые параметры (например, КТ315-КТ361, КТ502-КТ503, КТ814-КТ815 и др.) позволяет инвертировать фазу входного сигнала на 180° на первом выходе.
Кроме рассмотренных выше каскадов, в качестве фазоинверсных также применяются каскады с ОЭ, включенные согласно структурной схемы, показанной на рисунке 4.11. Отметим, что ФИ, построенный по такой схеме, имеет разбаланс АЧХ и ФЧХ выходов.
Рисунок 4.11. ФИ на основе каскадов с ОЭ
В качестве выходного каскада УМ, подключаемого к выходам ФИ, может использоваться каскад, одна из разновидностей которого приведена на рисунке 4.12.
Рисунок 4.12. Выходной каскад УМ с ФИ
В данном каскаде возможно использование режимов классов В, АВ, С. К достоинствам каскада следует отнести возможность использования мощных транзисторов одного типа проводимости. При использовании двухполярного источника питания возможно непосредственное подключение нагрузки, что позволяет обойтись без разделительного конденсатора на выходе, который обычно имеет большую емкость и габариты и, следовательно, труднореализуем в микроисполнении.
В целом, в УМ, выполненных по структурной схеме, представленной на рисунке 4.7, не достижим высокий КПД вследствие необходимости применения в ФИ режима класса А.
Гораздо лучшими параметрами обладают двухтактные бестрансформаторные УМ, выполненные на комплиментарных транзисторах. Такие УМ принято называть бустерами. Различают бустеры напряжения и тока. Поскольку усиление напряжения обычно осуществляется предварительными каскадами многокаскадного усилителя, а нагрузка УМ, как правило, низкоомная, то наибольшее распространение получили выходные каскады в виде бустера тока.
На рисунке 4.13 приведена схема простейшего варианта бустера тока класса В на комплиментарных транзисторах и двухполярным питанием.
Рисунок 4.13. Токовый бустер класса В
При подаче на вход бустера положительной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT1 и через нагрузку потечет ток. При подаче на вход бустера отрицательной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT2 и через нагрузку потечет ток в противоположном направлении. Таким образом, на Rн будет формироваться выходной сигнал.
Включение транзисторов с ОК позволяет получить малое выходное сопротивление, что необходимо для согласования с низкоомной нагрузкой для передачи в нее максимальной выходной мощности. Большое входное сопротивление позволяет хорошо согласовать каскад с предварительным усилителем напряжения. За счет 100% ПООСН K0≈1.
Благодаря использованию двухполярного источника питания возможна гальваническая связь каскада с нагрузкой, что делает возможным применение токовых бустеров в усилителях постоянного тока. Кроме того, это обстоятельство весьма благоприятно при реализации бустера в виде ИМС.
Существенным недостатком рассматриваемого бустера является большие НИ (KГ>10%), что и ограничивает его практическое использование. Свободным от этого недостатка является токовый бустер класса АВ, схема которого приведена на рисунке 4.14.
Рисунок 4.14. Токовый бустер класса АВ
Начальные токи покоя баз транзисторов здесь задаются с помощью резисторов Rб1 и Rб2, а также диодов VD1 и VD2. При интегральном исполнении в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении. Напомним, что падение напряжения на прямосмещенном диоде Δφ≈0,7 В, а в кремниевых ИМС с помощью диодов осуществляется параметрическая термостабилизация (см. подраздел 2.6). Сопротивление Rсогл вводится для лучшего согласования с предыдущим каскадом усилителя.
При положительной полуволне входного гармонического сигнала диод VD1 подзапирается и на базе VT1 будет "отслеживаться входной потенциал, что приведет к его отпиранию и формированию на сопротивлении нагрузки положительной полуволны выходного гармонического сигнала. При отрицательной полуволне входного гармонического сигнала работает VD2 и VT2, и на нагрузке формируется отрицательная полуволна выходного гармонического сигнала.
Для увеличения выходной мощности могут быть использованы бустеры на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона (рисунок 4.15), у которой коэффициент передачи по току равен произведению коэффициентов передачи тока базы транзисторов VT1 и VT2 причем возможна однокристальная реализация данной структуры, например, составной транзистор КТ829.
Рисунок 4.15. Схема Дарлингтона
Из полевых транзисторов в УМ более пригодны МОП-транзисторы с индуцированными каналами n- и p- типа, имеющими такой же характер смещения в цепи затвор-исток, как и у биполярных, но имеющих более линейную входную ВАХ, приводящую к меньшему уровню ВАХ. Схема УМ на ПТ указанного типа приведена на рисунке 4.16.
Рисунок 4.16. УМ на ПТ
В данном каскаде введена положительная ОС по питанию путем включения резистора Rсв последовательно с Rс. В точку a выходное напряжение подается через конденсатор и служит "вольтодобавкой", увеличивающей напряжение питания предоконечного каскада в тот полупериод, в который ток транзистора VT1 уменьшается. Это позволяет снять с него достаточную амплитуду напряжения, необходимую для управления оконечным истоковым повторителем, повышает выходную мощность и КПД усилителя. Аналогичная схема "вольтодобавки" применяется и в УМ на БТ.
Широкое применение находят УМ, у которых в качестве предварительных каскадов применены операционные усилители. На рисунках 4.17а,б приведены соответствующие схемы УМ режимов класса В и АВ.
Рисунок 4.17. УМ на основе операционных усилителей
Данные примеры иллюстрируют еще одно направление в разработке УМ — применение общей ООС, служащей, в частности, для снижения уровня НИ.
Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 11.6).
Рис. 11.6. Трансформаторный усилитель мощности
Трансформаторы ТР1 и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно.
Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а элемент С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.
Мощность, потребляемая усилителем от источника питания Pпотр=Ек·Iкн.
Следовательно, КПД усилителя
Для идеального усилителя теоретический КПД усилителя . Реальный же КПД .
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 11.7). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 11.7,а), либо с ОБ (рис. 11.7,б).
Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисторы R1 и R2 обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).
Двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала (рис. 11.8).
Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока Iк0
Коэффициент полезного действия двухтактного усилителя мощности класса В
Рис. 11.7. Двухтактный усилитель мощности
Рис. 11.8. Временные диаграммы двухтактного усилителя класса В
Для идеального усилителя Uкт = Ек, Iкт = I1, ηтр = 1, а следовательно, теоретический КПД . Реальный же КПД составляет 0,6÷0,7.
Читайте также: