Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 53
Текст из файла (страница 53)
11.23 иллюстрирует зеркала тока. Оно широко применяетсл в интегральных схемах. В них биполярные транзисторы часто работают в качестве источников стабильного тока только по этой схеме, потому что их характеристики одинаковы, так что принципы зеркала тока применимы. Используя уравнения (11.37) и (11.40), получим (Рсс — 2~'вв) ~'сс 2В 2В ' Таким способом ток смещения стабилизируется и не зависит от уве.
Рис. 11.23. Схема зеркала тока Мощность и коэффициент преобраэоеанпл (полезного действия) Чтобы сделать анализ простым, но без большой потери точности, мы не будем учитывать малые токи покоя Хсо, и рассмотрим идеальную нагрузочную линию. Посмотрим на нагрузочную линию переменного тока, изображенную на рис. 11.23. Для идеального случая рабочая точка усилителя при работе в классе В находится в точке отсечки переменного тока, где 1сц = О. Нагрузочная линия переменного тока изображена иа рис. 11.24 с указанием значения тока в точке насыщения и напряжения в точке отсечки. На рисунке также показаны максимальные амплитуды колебаний тока и напряжения. Пунктирной линией показан сигнал, выРаботанный другим транзистором двухтактного усилителя.
При 1сс1 = 0 в уравнениях (11.17) и (11.18) получим ~гСЕС) еС(лое) ( Гь (11.42) (11.43) РСЕ(спеси) = РСЕЯ. Также 1'СС 'кеес) = — (в схеме с одним источником питания) (11.44) 2 или Ъсщ = Ъсс (в схеме с двумя источниками питания +асс, — атее). (11.45) !с гсе исеа кое ЕЬ На рис. 11.24 видим, что амплитуда переменного выходного напряжения равна $'сес), а амплитуда выходного тока равна !с(, е). Тогда, из уравнения (11.9) максимальная выходная мощность Ро = р~тв 1тшв )'СЕЯ еС(гаЦ Ро 2 (11.46) РСС. ьс( (пА7) 4 (потому что КСе<2 = $'СС/2).
Максимальная выходная мощность переменного тока двухтактного усилителя может быть оценена вычислением (с(, е) из уравнения (11.42) и Ъ'сес) из уравнения (11.44) (или из уравнения (11.45)). ~~~3! 2 Глава 1А Усилители мощности Рис. 11.24. Наибольшие колебания тока и напряженна (идеальные) для вычисления макснмавьиой мощности переменного тока с.~. в.в. ° ° ° в...«. в в4в~ Коэффициент преобразования (нолезноео действия) Чтобы оценить коэффициент преобразования, надо знать, какая мощность поступает на транзисторы от источника постоянного тока.
Каждому транзистору Я1 и Цэ от источника питания поступает (11.48) Рвс = ~'СЕЯ 1вс~ где 1вс — ток через транзистор, усредненный за половину периода, в течение которого транзистор проводит. Отметим, что при работе в классе В 1вс = Хе;о = 0 в точке Я. Но источник постоянного тока дает коллекторный ток во время всей половины периода, когда эмиттерный (,)1 или (~я переход смещен прямо. Принимая синусоидальное колебание тока ковлектора как вс(в 0 в)п ив, (где гс(в 0 — амплитудное значение тока коллектора), средний ток коллектора может быть определен тем же способом, что и в схеме однополупериодного выпрямителя. То есть 1'1'1 1. 1ес = ~ — ~ 1( г,(„бвшюФс((юФ). / сва о Тогда получим (11.49) Следовательно, средняя мощность, полученная от источника питания каждым транзистором равна (из уравнений (11.48) и (11.49)) 1'СЕд (С(ваб 1 Вс(1) = ) СЕЦ ' 1вс = Средняя мощность, полученная от источника питания двумя транзисторами, равна 2~'сед вс( 0 Рис = 2Рис(1) == Но Ъсс = 2$сее), слеДовательно, (11.50) Тогда коэффициент преобразования усилителя класса В из уравнений (11.47) и (11.50) равен — х = я/4 = 0785 или в) = 78,5%, Другими словами, максимальный коэффициент преобразования двух- тактного усилителя класса намного больше, чем усилителя класса А.
Ко- эффициент преобразования 78,5 % имеют усилители, работающие строго в классе В, и он немного больше, чем у усилителя класса АВ, потому что ~~~314 Глава 11. Усилители лсощности влияние тока покоя не было учтено. У реальных хорошо спроектирован ных усилителей козффициент преобразования достигает 70 %. Пример 11.5. Вычислить максимальную мощность переменного тока, которую усилитель (рис. 11.25) может развить на нагрузке в 4 Ома (Ъвя = 0,7 В), Чему равен ток покоя схемы? Решение. Максимальная мощность пере+30 В менного тока равна ) СЯа) ' СС(еаг) Ро(асах) 2 $'СясЗ КаждОГО транэнетара (ЕС И (Ег раВНО 15 В,потому что ~'"сяс)с + ~сясЗг = 30 В и )'сясс = ~слог.
Ом Коллекторный ток насьпцения равен )ссяд (гс+Вя)' Отметим, что гя = 0 и Вс = 4 Ом, следо- вательно, Рис. 11.25. 15 В сс(еас) = = 3,75 А. 4 Ом гголставллл зна'сениЯ ЪсЯС и гс(еац в УРавнение Дла Р, ), Ро(плюс) = = 28,12 Вт. (15 х 3,75) 2 Ток покоя равен (ссс — 2$вя) (30 — 1,4) В 2В 200 Ом Отметим, что ток покоя составляет менее 4 % от гс(„с).
Рассеиваемая мощность Мощность, рассеиваемая на транзисторах усилителя мощности имеет немаловажное значение. В отличие от усилителей класса А усилители класса В не рассеивают мощность на транзисторах при отсутствии сигнала потому что без входного сигнала транзисторы усилителя класса В закры ты. Полная мощность, рассеянная на транзисторах, равна разнице между потребленной мощностью от источника постоянного напряжения и мощностью, отданной в нагрузку. Используя вычисления, можно показат~ ызя~ г В 3~Я что максимальная мощность, рассеяннвл на каждом транзисторе Рл, со- ставляет примерно 1/5 часть (или 20 %) от максимальной мощности Р„, отданной в нагрузку, т.е.
Рл = (1/5) Р, или (11.51) Р, = 5Рв. высокий коэффициент преобразования (приблизительно 70 %); требуемая мощность рассеяния транзистора — всего 20 % от мак- симальной выходной мошпости. Двухтактный усилитель класса В с трансформаторной связью Т1 П Тз Л Рис. 11.26. Двухтакткый усилитель класса АВ с трансформаториой связью Коэффициент преобразования (полезного действия) двухтактного усилителя можно повысить, применив трансформаторную связь. На рис.
11.26 изображен усилитель с трансформаторной связью. В нем применены два трансформатора с катушками с отводом от середины, один на входной стороне, другой на выходе. Обратите внимание, что оба транзистора— Щ и Яз имеют структуры н-р-н (или они оба должны быть р-и-р). Чтобы транзисторы работали в режиме класса АВ, постоянное смещение, равное (тнн, подается от источника Ъос через резисторы Вн. Источник 1'сс также обеспечивает обратное смещение коллекторов обоих транзисторов. Половину периода база транзистора я1 положительна, а бзэа транзистоРа Цз отрицательна. То есть н-р-п-транзистор Я1 эту половину периода Следовательно, согласно уравнению (11.51), если транзистор рассеивает мощность 10 Вт, то усилитель класса В способен отдать в нагрузку 50 Вт. Вспомним, что тот же транзистор, работающий в усилителе класса А, может отдать в нагрузку только до 5 Вт.
Причины широкого применения двухтактных усилителей в системах высокой мощности очевидны. А именно: ~~~316 Глава 1А Усилители моизности 1! .5. Усилители мощности на МОП~ранзисторах +рос -рос Рис. 11.27. Двухтактный усилитель на комолементарных МОП-транзи- сторах Рис. 11.28. Усилитель моншости на КМОП-транзисторах с зынит- ными диодами на затворах Для конструирования двухтактных усилителей класса В или АВ также можно применять и МОП-транзисторы. Для таких усилителей подходят существующие комплементарные пары и-МОП- и р-МОП-транзисторов. На рис. 11.27 изображен комплементарный МОП-усилитель мощности. Он работает так же, как и биполярный аналог.
Лучшие МОП-транзисторы имеют затворы с защитными диодами (рис. 11.28). проводит ток, а транзистор Яз закрыт. В другую половину периода бо, за транзистора Я~ отрицательна, а база транзистора 92 положительна, Следовательно, во второй половине периода сигнала Яз усиливает, а Ч1 остается закрытым.
На нагрузке появляется полная волна сигнала через трансформатор Тг. Обратите внимание, что для отделения постоянного напряжения не требуются конденсаторы, это делают трансформаторы Т1 и Тз. Улучшение коэффициента преобразования обусловлено тем, что в схеме применено меньше резисторов, и обмотки трансформатора оказывают незначительное сопротивление постоянному току. Таким образом, потери мощности в этой схеме минимальны. При расчете трансформаторов оптимально согласуются импедансы как на входе, так и на выходе. Но следует иметь в виду, что трансформаторы дороги и громоздки, и применять их следует выборочно.
Преимущества МОП-усилителей — лучшее быстродействие и меньшая подверженность тепловому пробою, часто случающемуся у биполярных транзисторов. ! 1.6. Заключение Усилители мощности рассчитаны для выдачи большой мощности в нагрузку. В мвлосигнальных усилителях усилительный элемент проводит в течение всего периода сигнала, т.е. 360'. Если эти же методы применить к усилителям мощности, как это сделало в усилителях класса А, коэффициент преобразования (= КПД) будет всего 25 %. Для получения более высокого КПД были разработаны особые схемы усилителей. Схема из двух транзисторов, смещенных таким образом, что каждый из них проводит ток 180', достигает коэффициента преобразования до 78,5 %. Нелинейность характеристик транзисторов вызывают искажения сигнала при переходе через нуль, которые можно устранить, подавая на каждый кремниевый транзистор начальное смещение 0,7 В.
Такие усилители относятся к классу АВ, они проводят тока больше 180', но намного меныпе, чем 360'. По сравнению с усилителями класса В, усилители класса АВ рассеивают немного болыпе мощности и их КПД на несколько процентов ниже. Смещение делителем напряжения — не лучший вариант смещения для усилителей класса АВ, предпочтительнее более широко применяемое диодное смещение, обеспечивающее хорошую термостабильность усилителя, что является важным свойством для усилителей мощности. Усилители класса В или их модификации, усилители класса АВ, широко применяются в системах местного вещания, мощных стереосистемах и во многих других системах Дополнительная литература по теме 1.
ВавЬЫ М. Н. М1сгое1ес$гоп1с С1гсппв: Апа1ув1в апг1 Оев18п, РЖИ РпЬНвьшк Сошрапу (1999). Вопросы 11.1. Назовите четыре разных типа усилителей мощности, дайте их характеристики. 11.2. Что такое нагрузочная линия постоянного тока и нагрузочная линия переменного тока? Глава 11. Усилители моилиости 11.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
