книги / Элементы расчета полупроводниковых усилителей
..pdfОсновными характеристиками усилителей являютоя: коэффициенты усиления по напряжение
й _ |
Щык |
или |
й _ |
^ёЫХ |
|
|
|
|
Об* |
|
К‘ — |
1 Г |
|
коэффициенты усиления по |
току |
|
|
|
||
к |
= J M - |
или |
kt = -& * - |
: |
||
1 |
|
h* |
|
|
и |
* |
сопротивление и проводимость передачи |
|
|
||||
7 |
— |
У&ых |
й — |
06х |
|
|
|
|
1 |
* > - |
|
|
|
коэффициент усиления по мощности
К— % ых
к> ~ ъ Г
•#
Комплексность Ки , Л^. означает, что выходной сигнал неоди наков по амплитуде и начальной фазе на разных чаототах (UgK— const)[Ъ» 8, I4J. Происходит это из-за наличия в охеме усили теля реактивных элементов.
Можно записать;
О.
К(<о)е4
=k(u)[cos(p(co)+j sin <f(co)]-A(uti+j&fo),
Ш* tf[A(u)]*+[вfo)]2 ‘
U (OJ)= aicto |
, |
|
r |
* |
A((o) |
где К(оз)—Кц ш!к1= К |
и <р((о)= <р - возможные формы |
|
записи модуля коэффициента усиления и фазового сдвига соответ ственно.
Походя из последних соотношений,вводим понятия амплитудночастотной характеристики (АЧХ) - зависимость модуля коэф|£ици-
II
ента передача напряжения от частоты я фазово-чаототной характерис тики (ФЧ1) - зависимость фазового одвига между напряжениями на выходе я на входе от частоты.
На рис.З.а показаны примеры АЧХ: I - АЧХ усилителя постоян ного тока; 2 - АЧХ усилителя переменного тока; 3 - АЧХ избира тельного (узкополосного) усилителя. На рио.3,6 приведены ФЧХ
для УГС и КС -усилителей.
Широкое распространение подучили удобные для построения и сравнения свойств различных усилителей (рис.4) логарифмиче ские ашлитудно-частотные характеристики (ДАЧХ) [I . 161
Значения частот на оси абсцисс наносятся не в линейном, а
в логарифмическом масштабе, в результате чего оказывает^ воз-
12
модным существенно "растянуть" область оамых нижних частот в при сравнительно небольших размерах графика охватить область частот от единиц герц до едиииц-деоятков мегагерц. По оси ор динат вмеото абсолютных значений коэффициента усиления наносят-
|
Ш1 |
ся значения так называемого относительного усиления У * -гг * |
|
где Кв |
Лс |
- усиление на средней частоте fg |
|
За fg |
обычно принимается частота, на которой усиление до |
стигает наибольшего значения. Так, например, в уоилителях зву кового диапазона для удЬбства сравнения JIA4X различных усилите
лей принято очитать f0 - 1000 Гц. Относительное усиление может
определиться в долях единицы или в логарифмических единицах -
децибеллах ( дБ ).
20
При расчетах усилителей чаото встречается и используется
так называемый коэффициент частотных искажений-. М* 1/у .
Помимо АЧХ и ФЧХ есть характеристика АФЧХ [ ц , |
14]. Строит |
|||
ся на комплексной плоскости и одновременно несет информацию |
||||
о к(ы) я |
<p(to) (рис.5). |
|
|
|
Амплитудно-частотная и фа |
|
|
||
зово-частотная характеристики не- |
|
|
||
нскажащего усилителя показаны |
|
|
||
на рис.6. |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Все составляющие входного |
|
|
||
сигнала равномерно усиливаются |
|
|
||
и получают сддаг, |
пропорцио |
|
|
|
нальный частоте, что вызывает |
Рис. 5 |
|||
запаздывание U^x |
по отношению к |
на время |
|
|
В частном |
случае, |
когда <р(м)т.О (кривая I), TM/J- |
О . |
|
В реальных усилителях такие характеристики точно не реали зуемы, а могут быть получены о некоторым приближением и толь ко в конечном диапазоне -частот.
Ф )
K*consl
Говоря о фазовой характеристике, необходимо иметь в виду, что любой усилитель может быть представлен в виде каскадного соединения активного и пассивного четырехполюсников:
к = к а к „ - к ,к „ »
Активный четырехполюсник отражает функции собственно усиле ния, а пассивный включает элементы, отражающие частотные свой
ства усилителя. Так как фазовый сдвиг являетоя постоянной
величиной и зависит только от схемы включения усилительного
элемента (для схемы ОБ, OK <fg = 0; для ОЭ tfa * 180°), то под ФСС обычно подразумевается составляющая <рп (а) .
Кратко отметим, что между АЧХ и ФЧХ существует однозначная овязь (для цепей минимального фазового сдвига). Чем сильнее изменяется крутизна АЧХ, тем больше фазовый сдвиг
Амплитудная характеристика усилителя Цп^и(ае
показана на рис.7.
Причинами отличия идеальной характеристики (кривая I) 14
от реальной (кривая 2) в области малых входных снгналов(а) яв
ляется при 0gx = 0 наличие
на выходе усилителя напряже ния, включающего в себя со ставляющие, обусловленные как действием различного рода на
водок и помех, так и наличием собственных щумов.
Пусть, например, входная
цепь усилителя (рис.В) о па
раметрами ~ 2м0м
связана с окружающей сетью переменного тока промышлен ной частоты fe = 50Гц через паразитную емкость,СV
величиной всего в I пФ.тог да на вход усилителя пойдет сигнал помехи
70мВ ,
У/+(//й>Т)г
где
г* ‘Т $ 7
Такая наводка.недопустима, так как входной сигнал может ока заться полноотью "замаскированным". Для предотвращения этого явления применяется экранирование входной цепи.
При подаче на вход больших сигналов (область б) необходимо учитывать нелинейность ВАХ усилительных элементов. В этой об ласти возникают нелинейные искажения - это искажения формы вы-
15
ходного оигнала при чиото гармоническом воздействии. Появляются новые составляющие, отсутствовавшие во входном сигнале. Степень искажений.характеризуется коэффициентом гармоник
'«
где U4 , Щ , Uj , . . . - I (основная), 2 , 3-я и другие гар моники выходного оигнала.
Для определения величины появившихся новых составляющих су ществует ряд методов. Одним из них являетоя аналитический метод, в оонове которого лежит аппроксимация амплитудной характеристи ки степенным полиномом:
у * f ( x ) ; х ~ Xscncnt ;
. у= а0+а4х + а гх г+ а3х * + ... + ал х *
у*= а0+a4Xscn(ot+Qz^Si^coi +a3X3sen3cot+ ... в
«ae+a4Xscnc o i+ j агХг l i-cosZ cot) +
+If a3X3(3s£ncat - sen 3eot)+,..« (а0+±агХг+...)+ +(o(X+f<73Xs+...)sLno3t-feazX2+...)cos2<nt -
- ( j 03x * + . . . ) sen 3 (o t+ .. .
Метод удобен тем, что позволяет определить уровень высших гарМОНИК И при СЛОЖНОМ ВХОДНОМ ВОЗДеЙСТВИИ чидя
Х = Х4sin COft+ Хгsin003t + Х3 co3t +...
Произведя подстановку в у « у (х ), можно показать, что в выходном сигнале будут присутствовать составлявшие с частотами
034 , 2(о4 |
З ш 4 |
4ео4 , . . . |
1 б ‘
03г |
2аг , |
Зизг |
, 4(Ог |
|
|
Юз |
2(0j |
, |
3(0J |
4(оэ |
|
± |
тсйг |
±р(Оу±. . |
. 0,1,2,... |
||
Недостатком метода является трудоемкость, |
необходимость |
||||
иметь аналитическое выражение для функции передачи. Применяет ся также метод 3 и 5 ординат.
Для расчета этим методом необходимо иметь график так назы ваемой сквозной динамической характеристики (рис.9) [14,15].
Представим выходной ток следующим образом:
k m = hP + 4 , coscoi * к cos 2ui +
+ Im cosfat + Im cos4(at-.
|
|
|
|
® |
|
|
ff |
a |
|
|
|
|
|
|
Задавая значения |
(ot=0, у |
• Y ’~3 ’^ |
и нах°Дя из графика |
|||||||||||
соответствующие им |
значения тока, |
составляем систему уравнений: |
||||||||||||
^тх |
kp* к |
* к |
* ^7?з + |
|
|
|
|
|
||||||
h |
- |
к ^ |
5к |
- °>5к |
“ к |
|
- °'5к |
|
|
|
||||
L = |
L . - |
L |
* 1 |
ГП^ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
ср |
т, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
L , ~ M U |
- |
M tm. * L . ~ |
M L/77^ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
/я* |
|
|
|
Wg |
М3 |
|
|
|
|
|
и |
, * |
АGp. - 1fftj- |
* |
|
*/77^Г - |
- "*/77jI - |
* |
L /77^ |
|
|
|
|
||
Решение |
Системы дает неизвестные |
значения |
СР |
, I |
, 7 |
|||||||||
lm , 1т^ |
зная которые,можно вычислить Кг |
f f lj |
/P j |
|||||||||||
Обл? :ть ампли |
||||||||||||||
тудной характеристики, в пределах которой уоилитедь может счи таться квазилинейным, определяется по величине его динамическо го диапазона
* Щхmax ^ п
где |
Ufamax |
определяется |
допустимым |
значением Кр |
а |
|||
U. |
|
- уровнем щумов и помех; А |
' |
- динамический диапазон |
||||
oxtnin |
|
|
|
|
|
|
||
сигнала. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В реальных усилителях Кг |
||
|
|
|
|
лежит |
в диапазоне 0 Д - Щ £ , |
|||
|
|
|
|
|
|
|
3 0 - Ш дБ. |
|
|
|
|
|
|
|
В |
специальных усилителях |
|
|
|
|
|
(функциональных) амплитудная |
||||
|
|
|
|
характеристика может иметь |
||||
|
|
|
|
явно нелинейный вид (логариф |
||||
|
|
|
|
мические, экспоненциальные,по |
||||
|
|
|
|
казательные АХ). |
|
|||
|
|
|
|
|
|
К |
важным качественным пока |
|
|
|
|
|
зателям уоилителя относятся |
||||
|
|
|
|
параметры, характеризующие |
||||
|
|
|
|
стабильность его работы: |
||||
|
|
|
|
|
|
а) стабильность режима |
||
(при изменении |
температуры, |
напряжения источника питания, |
смене |
|||||
транзисторов происходит изменение положения рабочей точки).Сте
пень нестабильности режима характеризуется, |
например, относи |
||
тельной величиной изменения тока коллектора |
S lK = -jH*- * |
||
б) стабильность усиления характеризуется величиной коэффици- |
|||
|
М |
тах “ * *min |
|
ента нестабильности |
2КСр |
|
|
|
|
|
|
где КСр - расчетное значение коэффициента усиления при номи |
|||
нальном значении параметров, определяющих усилительные свой |
|||
ства; Ктах и |
Kmin - соответственно максимальное и минималь |
||
ное значения К |
при определенных граничных сочетаниях значе |
||
ний параметров элементов схемы. |
|
|
|
|
18 |
|
|
При вариации номиналов всех элементов (за очет производствен ного разброоа) полная нестабильность определяется как
ДК; |
К за счет изменения |
с -го |
где -р-=- - относительное изменение |
||
'ч |
|
|
параметра. |
|
|
Часто используется также параметр, называемый чувствитель ностью параметра усилителя В к изменению параметра у элемента!
4в
/
Одной из задач проектирования являетоя сведение к минимуму влияния нестабильности элементов на нестабильность параметров
усилителя.
Наиболее, универсальным и широко распространенным способом решения этой задачи является применение обратных овязей различ
ного вида.
Рассмотрим энергетические показатели усилителей. Основным
из них является коэффициент полезного действия (КПЛ). В зави симости от способа его определения выделяют КПД выходной цепи
каскада я» |
", КПД каскада я |
и КПД воего усилителя п |
|||
'ьц |
|
'* |
|
|
7 |
» sxJkiiL =х |
Р*ЫХ |
• |
Г)--• J) |
^ |
|
еЧ |
ро |
р6ых+ррас |
’ |
* Р°+Р6 * |
% |
где Р$ш - полезная мощнооть, развиваемая в выходной цепи кас
када; Р0 - мощность, потребляемая е ы х о д н о й цепью каскада от ис
точника питания; |
Ррас |
- мощность потерь, рассеиваемая в виде |
||
тепла на усилительном |
элементе; / j f |
- мощность, |
потребляемая |
|
вспомогательными |
цепями каскада; |
- мощность, |
развиваема# |
|
усилителем в нагрузке; Рпотр~ полная мощность, |
потребляемая |
|
всеми каскадами усилителя от источников питания. |
|
|
Коэффициент полезного действия ^ |
зависит, |
главным обра |
зом, от принципа действия и режима работы усилительного каскада. Правильный выбор наиболее оптимального в заданных уоловиях
варианта схемы каскада осуществляется по известным предельно допустимым значениям этого параметра.
По величине КПД нетрудно определить рассеиваемую мощность:
р |
|
= |
р. |
77 |
|
рос |
|
'&ЫХ |
|
||
Пример. Если Рцш |
|
|
|
Чц |
|
= 20 Вт, |
то при ^ |
, равном 30, '50 и 70$, |
|||
рассеиваемая мощность будет равна 27, 20 и 9 Вт соответственно.
Различие в значениях расоеиваемой мощности существенно ска
зывается при расчете теплоотвода. Площадь охлаждения
то
Гптах ~ Гертак
'^пк + Р*т )
Ррас
Для транзистора КТ803 тепловое сопротивление участка пере-
ход-корпуо RnK= j{66 С/ВТ , при хорошем контакте корпуса с теп
лоотводом тепловое сопротивление RKT= 0,5^/Вт; максимально до
пустимая температура перехода |
Tnrnox=J50°{ для повышения надеж |
|||||
ности введем коэффициент запаса К$ -- 0,8, |
т.е. будем |
считать |
||||
Т |
ш №0°). При максимальной |
температуре |
окружающей |
среда |
||
n/fiQX |
|
|
|
и 9 Вт площадь $охл |
||
ГСртох~+^ ъ рассеиваемых мощностях 27 , 20 |
||||||
будет равна соответственно 2840, 940 и 220 |
см2. |
|
||||
|
Если |
в последнем олучае увеличить S0M |
до 400 см2, то при |
|||
том же |
значении ТСртах |
окажется возможным снизить максимальную |
||||
температуру перехода до |
значения 98°С, что повысит надежность |
|||||