Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Соответственно его коэффициент усиления близок к нулю, эффект Миллера отсутствует и входная емкость равна проходной емкости С„. Выходное напряжение каскада вызывает протекание тока через емкость С„. Однако этот ток замыкается «на землю» через источник постоянного смещения Е и не попадает в коллекторную цепь транзистора Т1. Поэтому между выходом и входом каскада отсутствует обратная связь, а значит, опасность еамовозбуждения (см.
замечания выше) устраняется или по крайней мере существенно уменьшается. Благодаря такой особенности каскад находит широкое применение в резонансных (контурных) усилителях. 9.9. Выходные каскады Задача выходных каскадов — обеспечить заданную (достаточно большую) мощность и, значит, — достаточно большие напряжения и токи в нагрузке. Коэффициент усиления напряжения является для выходных каскадов второстепенным параметром. На первый план выдвигаются такие параметры, как 1 Индуктивная составляющая неизбежна, когда в качестве нагрузки испольауются колебательные контуры, что характерно для избирательных — резонансных усилителей Позтому в резонансных каскадах проблема развязки выхода и входа стоит особенно остро 9.9. Выходные каскады коэффициент полезного действия (ц) и коэффициент нелиней ньгх искажений (К„„).
Выходные каскады обычно потребляют основную часть мощности усилителя; поэтому высокий к. п. д. означает эффективное использование источника питания. Это особенно важно в интегральных схемах, в которых мощность, рассеиваемая кристаллом, ограничена. Что касается коэффициента нелинейных искажений, то он характерен для выходных каскадов потому, что получение заданной достаточно большой мощности при высоком к.п.д. неизбежно связано с использованием таких токов и напряжений, амплитуды которых сравнимы со значениями постоянных составляющих.
Параметры выходных каскадов. Коэффициент полезного действия определяется как отношение мощности выходного сигнала к мощности, отбираемой от источника питания: Ч= гз анхо выхт Е1,„ (9.73) где 1,„,, У, „— амплитуды выходных величин.
Поскольку к.п.д. зависит от выходной мощности, принято понимать под к.п.д. его максимальное значение, соответствующее максимальной выходной мощности. Коэффициент нелинейных искажений характеризует отличие формы выходного сигнала от формы входного. Это отличие обусловлено нелинейностью передаточной характеристики каскада (рис. 8.1). Нелинейные искажения характерны появлением в выходном сигнале новых гармоник, отсутствующих во входном сигнале.
Поэтому нелинейные искажения принято оценивать, задавая на входе усилителя чисто синусоидальный сигнал и вычисляя (или измеряя) гармоники„появившиеся на выходе. Энергетической характеристикой нелинейных искажений служит отношение суммарной мощности высших гармоник, начиная со 2-й, к мощности 1-й гармоники, частота которой равна частоте входного сигнала. Коэффициентом нелинейных искажений принято называть корень квадратный из отношения суммарной мощности высших гармоник на выходе усилителя к мощности 1-й гармоники. Если сопротивление нагрузки одинаково для всех гармо- звв Глава Э.
Основы ененоховой схенотехннкн ник, то мощности пропорциональны квадратам токов или напряжений. Тогда коэффициент нелинейных искажений запишется в одной из следующих двух форм: (9.74) где т — номер гармоники, ыачиная со 2-ой. Допустимое значение коэффициента К„в диктуется конкретными требованиями к той или иной аппаратуре. Например, при воспроизведении звука желательно иметь К„в с 2-3%. В измерительных устройствах значения К„в должны быть существенно меньше. Аналитическая оценка нелинейных искажений возможна только тогда, когда передаточная характеристика задаыа в виде математической функции.
Чаще коэффициент нелинейных искажений оценивают графически (по известной передаточной характеристике) или экспериментально (с использованием специальных измерительных приборов). Классы усиления. В зависимости от того, как расположена ыа передаточной характеристике исходная рабочая точка (точка покоя), различают несколько классов усиления: А, В, АВ и др. Эти классы различаются максимальными значениями к.п.д.
и величинами нелинейных искажений. Класс А характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена в еередиые квазилинейного участка передаточной характеристики (рис. 9.22). Очевидно, что нелинейные искажения в этом случае будут минимальными, так как обе полуволны входного сигнала укладываются в пределы квазилинейного участка. Что касается максимального к.п.д., то он получается из формулы (9.73), если подставить в нее максимальные значеыия амплитуд напряжения и тока, соответствующие границам квазилинейыого участка: живых т 7з Кх ~вых т ~ ~ар~ тогда (9.75) ц = 1/4 (т.е.
25 %). 9.9. Выходные каскады При использовании трансформаторной связи транзистора с нагрузкой максимальный к.п.д. удваивается: и = 50 %. Однако в интегральных схемах использование трансформаторов (в качестве навесных компонентов) нежелательно. б) а) Рвс. 9.22. Режим класса А. Расчет выходных напряжения (а) и тока (б). Класс В характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе квазилинейного участка, а именно, на той, которая соответствует запертому состоянию транзистора (рис. 9.23).
Ясно, что в этом случае усиливаются только положительные полуволны входного сигнала. Поэтому выходное напряжение оказывается существенно несинусоидальным, т.е. содержит большое число высших гармоник. Анализ показывает, что коэффициент нелинейных искажений в классе В неза- б) а) Рис. 9.23. Режим класса В. Расчет выходных напряжения (к) н тока (б). 999 Глава 9. Основав аналоговой схемотехннви висимо от амплитуды сигнала составляет около 70 %, что, конечно, неприемлемо. Поэтому в таком простейшем варианте класс В не используется. Для класса В характерна так называемая двухтакглная схема, состоящая из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную.
В нагрузке эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду (рис. 9.24). Чтобы усилить отрицательные полу- волны, нужно либо включить на вход усилителя 2 фазоинверсный элемент (например, трансформатор), либо использовать в усилителе 2 транзистор другого типа проводимости ~р-п-р). Примеры реализации двухтактной схемы приведены ниже. +Ев Коэффициент полезного действх вия двухтактной схемы класса В ! вв вв можно оценить, исходя из того, что мощность, рассеиваемая в каждой из ее половин, одинако- Ф вх вых Выход ва.
Следовательно, достаточно рассчитать мощность в течение одного полупериода. Для этого в ~с,г фри формулу (9. 73) нужно подставить У,„„= Е„(см. рис. 9.23, а), х Е = Е„и 1, = (2/л)1,„~ (среднее Р 9 24 П и ип ей ия ЗНаЧЕНИЕ СИНУСОИДаЛЬНОГО тОКа нс... Принцип де стеня двтхтаитиого усилителя за половину периода, см. рис, 9.23, б). Тогда максимальный к.п.д. принимает следующее значение: П л(4 (т.е. 78%). (9.76) Значит, если, например, усилитель выполнен на кристалле, способном рассеять мощность 300 мВт, то в нагрузке можно выделить полезную мощность более 1 Вт. Под классом АВ понимают промежуточный случай между классами А и В: исходная рабочая точка лежит не на границе отсечки, а в области прямых смещений эмиттерного перехода, но при токах, значительно меньших, чем в классе А (пример будет приведен ниже).
Схемы выходных каскадов. В микроэлектронике класс А не используется из-за низкого к.п.д. Наиболее популярны двухтактные усилители классов В и АВ. 391 9.9. Выходные каскады На рис. 9.25,а показана простейшая двухтактная схема класса В, выполненная на комплементарных транзисторах. Нагрузка включена в эмиттерную цепь транзисторов; следовательно, они работают в режиме повторителей напряжения. Усиление мощности обусловлено усилением тока. е) б) Рис. 9.29. Схема (а) и передаточные характеристики (б) двухтактиото усилителя класса В на комплементарных транзисторах В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на змиттерных переходах равны нулю.
Во время положительной полуволны входного сигнала открыт и — р — и-транзистор Т1, ток через нагрузку протекает по штриховой стрелке 1. Во время отрицательной полуволны открыт р-и — р-транзистор Т2 и ток протекает по штриховой стрелке 2. Таким образом, выходной сигнал двуполярный, как и входной. Коэффициент усиления мощности близок к отношению змиттерного и базового токов, т.е. к В + 1. К сожалению, такой простой схеме свойственны сравнительно большие нелинейные искажения. Их причина связана с наличием «пятки» на входной ВАХ кремниевых транзисторов. Форму выходного сигнала легко получить графически с помощью так называемых совмещенных передаточных харантери стин (рис.
9.25, б). На этих характеристиках кривая 1 соответствует транзистору Т1, а кривая 3 — транзистору Т2. Как видим, длительность положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода, и зти полуволны отделены друг от друга небольшими горизонтальными участками (не усиливаемые части полусинусоид заштрихованы). Очевидно, Глава 9. Осиовы аналоговой схемотехиики 392 что такие искажения будут особенно существенны при малых входных сигналах с амплитудой, сравнимой с напряжением У*.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
