Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Для ясности он отдельно изображен на рис. 11.3. Обратите внимание на точку насьпцения тока гс>, ~> и точку напряжения отсечки осе(свеояр Таким образом, имеем: (11.5) (11.6) рсее~ вс1вае) асс + > (гс + ге) ЕСЕ(сиСон1 >'СЕЯ + лСЯ(ГС + ГЕ) (11.7) (11.8) Рис. 11.3. Составляю>с >вне нагруэочной линии по пеРеменномУ токУ /со е ~Рд~ф'гс е гя1 исе рою рсео+ Ысо е сд При проектировании усилителей мощности применяются уравнения (11.7) и (11.8).
На графике выходных характеристик транзистора (рис. 11.4) также нарисована нагрузочная линия переменного тока. На рисунке также показан целый период колебаний тока и напряжения по нагрузочной линии переменного тока. Усилители большого сигнала используют почти всю активную область. Лучше всего выбрать рабочую точку Я для усилителей класса А в середине нагрузочной линии — будем называть ее центрированной С/.
Это позволяет получить максимальную мощность ~~( 294 Глава 11. Усилители мощности без искажений. Точка ф смещенная от середины в сторону точки насыщения, приводит к ограничениям из-за насьпцения, а смещенная в сторону точки отсечки, — ограничениям из-за отсечки. Для примера зти искаженные формы сигнала изображены на рис.
11.5. /с 'сс и и1 О ~ ~ ~ рос 1/ся+ ~фо рог *г ! ! Рис. 11.4. Формы сигналов тока и напряжения в усилителе класса А б) в) Рис. 11.5. Ограничение формы сигнала тока из-за насьпцення (а). Ограничение формы сигнала тока из-за отсечки (В) Максимальная вьподная мощность и КПД усилителя класса А Чтобы получить выражение для максимальной выходной мощности Рв л.в. у в 29ф (или мощности на нагрузке), введем несколько упрощений. Примем, что в графиках на рис. 11.4: г,(,„) =О; гс( ) = 21сц.
Аналогично, псн( ы) = О' псн( ) = 2Рскд. Эти допущения означают, что теперь рабочая область усилителя на переменном токе будет находиться в диапазоне от точки насьпцения на нагрузочкой линии переменного тока до точки отсечки, как зто показано на рис. 11.6 (который является перерисованным рис. 11.4). Это предельное расширение реальной рабочей области, показанной на рис. 11.4.
Допущения упрощают анализ, но дают результаты с приемлемой точностью. При синусоидальных токах и напряжениях выходную мощность переменного тока Ро можно выразить через действующие значения тока и напряжения (11.9) Ро = 1вшв1втв ° вс нсе рсло,' 2рснз Рис. 11.6. Расширение области работы от точки насьпцения до точки отсечки позволяет увеличить 1в до 1сО, а Ър — до вене Из рис. 11.5 амплитуда тока 1р —— 1св1, и амплитуда напряжения Ур = = $снс1 для центрированной рабочей точки. Если уравнение (11.9) выра- ~~( 296 Глава 11. Усилители лтоитноетпи зить через амплитудные значения, оно будет иметь вид: тсЕЯ ~СЯ ~/2 ~/2 тсея ' Хся Ро(твае1 2 (11.10) Уравнение (11.10) дает максимальную мощность переменного тока, подаваемого в нагрузку.
Это максимальная мощность, потому что при выводе уравнения (11.10) предполагались оптимальные условия работы. Коэффициента преобразования тлои4ностпи усилитпелв т1 Средняя мощность сигнала, отданная в нагрузку Ц— (11.11) Средняя мощность, потребленнзя от источника питания В знаменателе уравнения (11.11) для простоты ограничимся мощностью источника постоянного тока, отдаваемого только в выходную цепь, проигнорировав малую мощность, потребленную схемой смещения базовой цепи. Так как напряжение источника постоянного тока, питающее схему, равно 1'сс, а постоянный ток — Хсс, то мощность, потребленная цепью колллектор -эмиттер, равна Ра, = ЪссХсе1 или Ра = 2~сецХсд (11.12) (потому что асс = 2$се0). Использовав уравнения (11.10) и (11.11), получим коэффициент преобразования (в процентах): х 100 % = 25 %. (11.13) (2)'се СХсс) При идеальных условиях максимальный коэффициент преобразования усилителя класса А с ВС-связями равен 25 %.
На практике он несколько меньше. Коэффициент преобразования 25 % означает, что потребность в постоянном токе как минимум в четыре раза превышает мощность, отдаваемую в нагрузку. Чтобы отдать в нагрузку 20 Вт мощности (Р,), усилителю класса А требуется 80 Вт мощности постоянного тока. Вспомним, что соотношения мощности сигнала [уравнение (11.10)) и коэффициента преобразования [уравнение (11.13)[ дают максимальное значение этих параметров.
И они подразумевают, что схема спроектирована оптимально т.е. с центрированной рабочей точкой Я. Можно действительно прове рить, в середине находится рабочая точка усилителя нли нет, следующим способом. Значение тока коллектора в точке насьпцения (рис 11.6) равно 21сс, т е. тв( т) = 21сд. (11.14) 111 У А 297У Сравнение уравнений (11.7) и (11.14) дает условие центрированной 2): УСЕЯ 21С2з = ХС2з + (гс+ ге) или гс+ге = УСЕч (11.15) Хес1 ' Усилитель имеет центрированную Я только тогда, когда ее схема удовлетворяет условию (11.15).
Уравнение (11.15) может быть получено и подстановкой координаты точки отсечки из рис. 11.6, т. е. Ъ~еуспьея2 = 2$сес2, в уравнение (11.8). Усилип2ель класса А с п2рансфорл2аупорной связью При включении нагрузки через разделительный трансформатор коэффициент преобразования может быть повьппен до 50 %. Каким образом получается зто улучшение? Для начала рассмотрим нагрузочную линию переменного тока усилителя с ВС-связью (рис. 11.7). Рис. 11.7. Составляющие нагрузочной линии переменного тока для центрнроланнсй 2е' жсо о рсло кос При отсутствии сигнала переменного тока коллекторный ток Хссах течет по схеме, пока напряжение $Усес2 обеспечивает смещение транзистоРа. Это значит, что мощность постоянного тока, равная $"сес х Хсс2 (Равная половине мощности от источника питания, уравнение (11.12)) теряется на коллекторном резисторе Вс (мы пока будем игнорировать Резистор Ве).
Эту потерю мощности можно снизить почти до нуля заменой резистора Вс первичной обмоткой трансформатора с пренебрежимо малым сопротивлением постоянному току. На первичной обмотке трансформатора почти не будет падения постоянного напряжения. И козффициент преобразования усилителя повысится до 50 %.
На рис. 11.18 изображен усилитель класса А с трансформаторной связью с нагрузкой. Здесь коллекторный резистор Вс заменен первичной обмоткой трансформатора с очень малым сопротивлением постоянному току. Эффективное ~~~298 Глава 11. Усилители мощности сопротивление нагрузки Вь~ на первичной обмотке из базовой теории трансформатора равно (11.16) Рис. 11.8. Усилитель класса А с транс- форматорной связью Б. Теперь ~'СЕЯ = кСС.
(11.17) Из уравнения (11.10) максимальная выходная мощность, отдаваемая в нагрузку, равна 1'СС ' лСЦ о(я1ах) 2 (11.18) Так как РСС 1СЯ = д/ (11.19) имеем выходную мощность 1СС г О п1зк 2~~У Ь (11,20) где пр и п, — число витков соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора.йь определяет крутизну нагрузочной линии переменного тока.
Крутизна нагрузочной линии по постоянному току— почти вертикальная линия из-за очень малого сопротивления первичной обмотки трансформатора (крутизна = — 1/Вь = — оо). Отсутствие резистора Вс позволяет использовать равенство Ъсс = абсид. На рис. 11.9 показаны обе нагрузочные линии. Напряжение выходного сигнала колеблется в обе стороны от точки Я с амплитудой, равной рсс. Это поддерживает транзистор в проводящем состоянии все 360' входного сигнала и усилитель функционирует в режиме класса А. При 1 скс) = Ъсс средняя мощность, потребляемая от источника питания, равна г Рос = 1'СС ' зСС) к кСС (11.21) В' ' Следовательно, коэффициент преобразования схемы с трансформаторной связью с нагрузкой Р,, х 100 Ъсс х ~~~ х 100 т) = 50 %.
(11.22) Рис. 11.9. У усилителя с трансформе маторной связью нагрузочная линия постоянного тока почти вертикальна (из-за пренебрежимо малого сопротивления первичной обмотки постоянному току) ка тока кяцсс ! кос 1 тол !ит ! При отсутствии в цепи коллектора сопротивления постоянному току, теоретически предела повышению коллекторного тока нет. В действительности ток должен быть ограничен до 21сг2, как показано на рис. 11.9, выбором напряжения питания ксс. Ток коллектора в любом случае не должен превьппать допустимый предельный ток транзистора и не должен вводить сердечник трансформатора в насьпцение.
Насыщенный сердечник (насьпценный магнитный поток) вызывает искажения выходного сигнала. У трансформаторной связи есть и другие преимущества. Гибкость соотношения числа витков позволяет согласовать импеданс для получения максимальной выходной мощности. Она также не пропускает в нагрузку постоянный ток, исключая необходимость применения переходного ~~~ЗОО Глава 10 Усилители мощности конденсатора. Несмотря на эти преимущества, трансформаторная связь применяется ограниченно, потому что трансформатор имеет болыпие гв бариты и занимает много места, увеличивая вес усилителя. Более того, трансформаторы нельзя формировать в кристалле — они не могут быть изготовлены методом интегральных схем.
Рассеиваемая мощность и добротность Полупроводниковые приборы удовлетворительно работают только до определенной температуры. Любое излишнее тепло должно рассеиваться в окружающую среду. Максимально допустимая мощность рассеяния каждого прибора, обозначаемая Ре( ), указывается производителем. Если тепло, образуемое при работе прибора, по величине больше, чем он может расее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
