L_8 (Конспекты лекций)

Лекция № 8.Усилители мощностиОбратные связи в усилительных каскадах.Каскодные схемы.План1.2.3.4.Введение.Усилители мощностиОбратные связи в усилительных каскадахКаскодные схемы.1. Введение.В этой лекции мы рассмотрим несколько тем, но все они связаны междусобой тем, что все относятся к основам аналоговой схемотехники.2. Усилители мощности.Тема «Усилители мощности» выделена в программе для самостоятельного обучения, но особенности этого типа усилителей мы проработаемвместе.Усилители мощности ─ это выходные усилительные каскады многокаскадного усилителя в электронных устройствах. При проектировании усилителя мощности на первый план выдвигаются два параметра ─ КПД (коэффициент полезного действия) и уровень нелинейных искажений, который оценивается коэффициентом нелинейных искажений.КПД оценивается отношением полезной мощности (выделенной в нагруке) к затраченной (потребляемой от источника).Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) ─ это корень квадратныйиз отношения суммарной мощности высших гармоник на выходе усилителя кмощности первой гармоники.

Если сопротивление нагрузки одинаково длявсех гармоник, то мощности пропорциональны квадратам токов или напряжений. В этом случае коэффициент нелинейных искажений можно выразитьтаким образомКНИ =∑ I 2m∑ U 2mUI1, где m ─ номер гармоники, начиная со второй.1Допустимое значение КНИ определяется конкретными требованиями копределённой электронной аппаратуре. КНИ можно оценить по известнойпередаточной характеристике (графически), или же экспериментально с помощью специального измерительного прибора.Основная задача, которую ставит перед собой разработчик усилителеймощности, ─ обеспечить необходимую мощность и передать её в нагрузку.Поэтому, в какой-то степени, усилитель мощности ─ это пример силовойэлектроники.

Но реальный усилитель мощности, в первую очередь, ─ этоустройство информативной электроники: в таких устройствах основная задача ─ снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства ещё приемлема.

И лишь во вторую ─устройство, которое содержит элементы и силовой электроники: в таких устройствах такую задачу ставить нельзя. При проектировании схем усилителеймощности следует помнить об этом различии.К величине коэффициента усиления по напряжению особых требованийнет: как правило, он чуть больше единицы. Усиление мощности происходитза счёт усиления по току.+E+ERсм1VT1UвхVT2 RнUвыхUвхVD1VT1VD2VT2 RнUвыхRсм2-EРис.8.1.-EРис.8.2В выходных усилителях мощности должны использоваться каскады смалым выходным сопротивлением, а вводимые в схему цепи ООС должныбыть только по напряжению.

По этой причине схемы усилителей мощностистроятся по двухтактным схемам. Такие схемы дают хороший выигрыш и помощности. На рис.8.1 дана схема двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах, работающего в режиме кл.«В», а на рис.8.2 усилитель,поставленный в режим кл.«АВ».Такие усилители находят большее применение, чем с трансформаторным выходом: там, где трансформатор на первое место выходит проблемагабаритов и веса устройства в целом.

Поэтому мы будем рассматривать только бестрансформаторный усилитель мощности (рис.8.1 и рис.8.2). Эти схемыможно назвать комплементарными эмиттерными повторителями. В схемахусилителей используются комплементарные пары: транзисторы VT 1 и VT 2имеют разную структуру.Транзисторы в схеме на рис.8.1 поставлены в режим кл.

«В» (смещениене задано). Рассмотри работу усилителя мощности по схеме на рис.8.1. вэтом режимеКогда на входе действует положительная полуволна синусоидальногосигнала, то в режим усиления вступает транзистор VT 1 , а транзистор VT 2 ─в режим отсечки. При действии отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Входные ВАХ транзистора носят нелинейный характер (лекция №3, рис.3.2а), поэтому выходной сигнал будет с искажениями.

В идеальном случае максимально возможная амплитуда напряжения на выходе U вых =Е к , а потому максимально возможная мощность, выделенная в нагрузке видеальном случаеUP= mн.макс  2  221= E .R2RннПри такой максимальной мощности в нагрузке усилитель потребляетмощность от источника питания2E 2=.Pпотр. макс π R нОпределим КПД усилителя мощностиηВ=P полезнаяP затраченная=PнPпотр=π4≈ 0,78 = 78%.В режиме кл. «В» в схеме не задана РТ (угол отсечки тока коллектора вэтом режиме равен 900).

В этом режиме хороший КПД, но большой уровеньнелинейных искажений. Чтобы уменьшить нелинейные искажения в выходном сигнале, изначально задают небольшое напряжение смещения и, такимобразом, переводят усилитель в режим кл. «АВ» (рис.8.2). В режиме кл.«АВ» нелинейные искажения уменьшаются, но несколько уменьшается иКПД усилителя.В схеме усилителя (рис.8.2) применяются цепи смещения ─ резисторыR см1 , R см2 совместно с диодами VD 1 и VD 2 образуют нелинейные делителинапряжения.

Диоды в данном случае обеспечивают дополнительную стабилизацию параметров усилителя в режиме покоя.Транзисторы VT 1 и VT 2 в усилителе включены по схеме эмиттерногоповторителя, тем самым, обеспечивая усилителю малое выходное сопротивление.КПД усилителя определяется по формулеη=Рполезная = 0,5U вых.макс I вых.макс ,гдеEIР затраченнаясрU вых.макс и I вых.макс ─ амплитуды напряжения и тока в нагрузке;I ср ─ среднее значение тока каждого транзистора..EсRвдRсСвдVT3RсмVT2Rд1VT1UвхСвыхUвыхRнRд2Рис.8.3.При проектировании усилителей мощности нередко в качестве выходных используют схемы составных транзисторов как одинаковой, так и разнойпроводимости. Это позволяет существенно уменьшить мощность предвыходного усилителя, а это положительно сказывается на параметрах всегоэлектронного устройства.Эти принципы используются и при проектировании усилителей мощности на полевых транзисторах (рис.8.3).

От усилителей мощности на биполярных транзисторах такие схемы отличаются меньшим уровнем нелинейныхискажений и большой температурной устойчивостью.3. Обратные связи в усилительных каскадах.Обратной связью называется такая электрическая связь между выходом и входом усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала свыхода усилителя подается обратно на его вход, усиливая или подавляявходной сигнал.1.2. В лекции 5 мы уже затрагивали вопрос об отрицательной обратнойсвязи по постоянной составляющей тока в усилителе на момент, когда требовалась защита положения РТ на ВАХ от температуры окружающей среды. Впрактике усилительных устройств используются обратные связи (ОС) и попеременной составляющей тока.

Причём ОС могут быть не только отрицательными (ООС), но и положительными (ПОС). Например, все операционные усилители работают с ООС, а компараторы и автогенераторы ─ с ПОС.Положительные результаты действия ООС в усилителях:• ООС уменьшает искажения и помехи, вносимые усилительным каскадом в (1+βК) раз, где «К» ─ коэффициент прямой передачи (коэффициентусиления по напряжению без ООС);• ООС позволяет получить более равномерную амплитудно-частотнуюхарактеристику;• ООС делает работу усилителя более устойчивой.Отрицательные результаты действия ООС в усилителях:• ООС сильно уменьшает коэффициент усиления по напряжению;• ООС вынуждает увеличивать число усилительных каскадов для получения нужного коэффициента усиления.Обратная связь может быть паразитной или полезной.Паразитная ОС нарушает нормальную работу усилителя, а возникаетона в результате взаимного влияния цепей друг на друга.

Например, еслиусилитель, рассчитанный на работу в диапазоне низких частот, перевести врежим усиления напряжения высокой частоты, то за счёт связи выходной цепи со входной через проходную ёмкость «коллектор-база» часть усиленноговыходного напряжения попадает на вход в фазе со входным сигналом. Усилитель может перейти в режим генератора (паразитное самовозбуждениеусилителя) ─ это случай паразитной ПОС.Полезная ОС способствует улучшению основных характеристик усилителя, а возникает она в результате применения специальных схем.Чтобы часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя передатьна вход, необходимо между входом и выходом включить элемент обратнойсвязи (ЭОС), или иначе − схему цепи обратной связи.Обратная связь в усилителях может быть как по напряжению, так и потоку: это зависит от того, как подключена цепь обратной связи к нагрузке навыходе усилителя. Кроме того, по способу подключения напряжения ОС кисточнику входного усиливаемого сигнала различают параллельные и последовательные ОС.2.1.

Последовательная обратная связь по напряжению.Последовательная ОС по напряжению (рис.8.4) ─ это когда напряжениеобратной связи (Uос) будет изменяться пропорционально выходному напряжению, а по отношению к входному сигналу напряжение ОС подключаетсяпоследовательно с источником входного сигнала (U с ).2.2. Параллельная обратная связь по напряжению.Параллельная обратная связь по напряжению (рис.8.5) ─ это когда напряжение обратной связи (Uос) будет изменяться пропорционально выход-ному напряжению, но по отношению к входному сигналу напряжение ОСподключается параллельно с источником входного сигнала (U с ).UвхUвыхУсилительUcUосUвыхUвхУсилительUcZнUосЭОСZнЭОСРис.8.4.Рис.8.5..2.3.