книги / Электронные усилители

Недостатки каскада: значительный ток покоя;

низкий КПД и, следовательно, большая потребляемая мощность от источника питания и мощность рассеяния;

меньше единицы коэффициент усиления по напряжению, что требует мощного предоконечного каскада.

На рис 4.18 Приведена принципиальная схема выходного усили­ теля генератора ГЗ-112/1. Транзисторы VT2, VT4 включены по схе­ ме с ОЭ. В качестве активной нагрузки применяется эмиттерный повторитель. Характеристики и параметры каскада с эмиттерным повторителем в качестве динамической нагрузки рассмотрены

.«и

выше (рис. 4.17). Включение транзистора по схеме с ОЭ и динами­ ческой нагрузкой позволяет получить больший коэффициент уси­ ления по напряжению, чем в схеме, показанной на рис. 4.17. Для увеличения выходного сигнала по мощности применено параллель­ ное соединение транзисторов VT2, VT4 и VT1, VT3. Важнейшей осо­ бенностью усилителя с динамической нагрузкой является компенса­ ция нелинейных искажений, вносимых активными элементами кас­ када без введения отрицательной обратной связи (ООС). Уменьше­ ние нелинейных искажений определяется компенсацией четных гар­ моник благодаря рациональному выбору режимов транзистора. Ди­ од VD1 предохраняет схему от пробоя, связанного с насыщением транзисторов при перегрузках каскада входным сигналом. Кон­ денсаторы С4, С5 и индуктивность L служат для коррекции АЧХ усилителя на высоких частотах. Режим по постоянному току уста­ навливается резисторами R2, R5. Коэффициент усиления каскада по напряжению

транзисторов VT1, VT2 соответственно;

Рис. 4.18

Кцут1 — коэффициент усиления транзистора VT1 с учетом влияния сопротивления нагрузки переменному току R„„

Сопротивление нагрузки переменному току Rn~ определяется по формуле

^H~= (^ 4 + ^ 5 R /(^ + ^ 5 + ^ H)!

а коэффициент использования тока коллектора / — по формуле

j —R0/(^4+^й)-

Глубина отрицательной обратной связи

F = l - \ - K ( J V T 2 - \ - K u V T l 4К U V T 2 •

Двухтактные каскады усиления мощности. Для анализа досто­ инств и недостатков двухтактных схем рассмотрим работу двух­ тактного трансформаторного каскада. На рис. 4.19, а, б показано образование схемы каскада, которую можно представить как ре­ зультат последовательного соединения входов и выходов соответ­ ственно двух одинаковых однотактных каскадов. Схема выполнена На двух транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме с ОЭ. На­ грузка подключается к каскаду с помощью выходного трансформа­ тора TV2. К первичным обмоткам трансформатора TV2 подключе­ ны коллекторы транзисторов VT1, VT2 (начало обмотки обозна­ чено точкой). Трансформатор TV1 выполняет функцию входного трансформатора, обеспечивающего подачу входного сигнала в противофазе.

Рассмотрим работу в режиме класса А. Режим работы обеспе­ чивается напряжением смещения, подаваемым на базы транзисто­ ров VT1, VT2. С помощью резисторов R1 и R2 создается требуемое напряжение смещения на базах транзисторов VT1 и VT2. При от­

че сигнала указанной полярности на вход входного трансформато­ ра на вторичной обмотке L i_ 2 трансформатора TV1 действует отрицательная полуволна сигнала, на вторичной обмотке Ь\-\ — положительная полуволна.

Символами «( + )» и «(—)» в схеме обозначены полярности пе­ ременных напряжений; «+ », «—» — постоянные напряжения источ­ ника электропитания.

При подаче на базу транзистора VT2 (р—п—р-структуры) от­ рицательного полуперНода входного сигнала потенциал базы пони­ жается и, следовательно, увеличиваются токи базы и коллектора. Положительный потенциал на базе транзистора VT1 уменьшает ток базы и коллектора.

Направление прохождения переменных токов в выходных це­ пях транзисторов определяется знаком потенциала на эмиттере и коллекторе транзистора. Выходную цепь транзисторов следует pac­

es

6

сматривать как источник переменного тока, клеммами которого являются коллектор и эмиттер транзистора.

С изменением знака напряжения на базе меняются знаки потенциалов на коллекторе и эмтттере на противоположные и, сле­ довательно, направление протекания тока на противоположное. При указанном поведении переменных потенциалов переменные токи создают суммарное магнитное поле в выходном трансформаторе, что определяет результирующий выходной ток.

Коллекторный ток можно разложить в ряд Фурье. Для косину­ соидального сигнала мгновенное значение коллекторного тока

^к1 ==^K0bAcmlCOS (tit-j-/um2COS 2 (I)t "|~‘ Acm3COS 3 CO^ —{—. . ( 4 . 2 )

•где I Kml, / кот2, / Km3— амплитуды тока 1-й, 2-й, 3-й гармоник.

Если сдвиг фазы входных сигналов по току составляет 180°, то вместо tot в формулу (4.2) необходимо подставить (со + я)/. Упрос­ тив выражение, получим формулу, определяющую мгновенное зна­ чение коллекторного тока транзистора VT2:

^к/nlCOS W^-|—/um2COS 2 (tit— ^ктзСОЭ 3<i)/-|—...

Поскольку переменные токи относительно средней точки вторично­ го трансформатора имеют противоположные направления протека­ ния, результирующий ток

=»^к1 ^ к 2 COS 0 ) / - j - 2 /Km3COS Зо)/-[“ *--?

т. е. четные гармоники в выходном сигнале отсутствуют, а нечет­ ные увеличиваются вдвое.

Достоинства рассмотренной схемы можно разделить на досто­ инства двухтактных схем (которые распространяются на все виды двухтактных схем) и индивидуальные, относящиеся к данной схеме.

Достоинства двухтактных схем:

компенсация четных гармоник независимо от режима работы усилительного элемента;

отсутствие постоянного подмагничивания магнитной цепи вы­ ходного трансформатора, что снижает нелинейные потери, вноси­ мые трансформатором. Отсутствие подмагничивания обусловлено компенсацией постоянных токов, протекающих по обмоткам транс­ форматора, и при равной мощности позволяет значительно умень­ шить габаритные размеры, массу и стоимость трансформатора;

компенсация помех на выходе каскада — пульсаций, наводимых синфазно в плечах оконечного каскада как от источника питания, так и от других источников (например, магнитные наводки);

отсутствие тока основной частоты в источнике питания, что уменьшает обратную паразитную связь;

возможность использовать экономичные режимы классов В, АВ, С и связанное с ней увеличение КПД.

Достоинства данной схемы:

возможность оптимально согласовать сопротивление выхода каскада с нагрузкой;

возможность различных способов включения усилительных элементов; при включении усилительных элементов по схеме с ОЭ возможность получить максимальный коэффициент усиления па мощности.

Недостатки каскада:

большие частотные, фазовые, нелинейные искажения, вносимые трансформатором;

значительное увеличение массы, габаритных размеров, стои­ мости;

иетехнологичиость изготовления; невозможность применения в интегральной технологии.

В связи с созданием мощных транзисторов с различными типа­ ми проводимости трансформаторные усилители находят все мень­ шее применение. В основном их применяют там, где в качестве усилительных элементов используют электровакуумные лампы к мощность выходного сигнала превышает сотни ватт.

Двухтактные бестрансформаторные усилители мощности: Уси­ литель мощности с бестрансформаторным двухтактным оконечным каскадом является многокаскадным устройством. В общем случае усилитель мощности состоит из входного устройства, предоконеч­ ного каскада (драйвера) и оконечного каскада. Оконечные каска­ ды характеризуются схемами включения транзисторов, способом возбуждения оконечного каскада и схемами стабилизации началь­ ного тока смещения. Принципиальная схема оконечного каскада* возбуждаемого двумя равными по значению и противофазными сигналами, приведена на рис. 4.20. В схеме применены транзисто­

ры типа р—п—д, включенные па

сятся ко всем видам бестрансформаторных каскадов и при рас­ смотрении последующих каскадов приводиться не будут);

включение трансформаторов по схеме с ОЭ позволяет получить максимальный Кр (коэффициент усиления по мощности);

возможен точный подбор пары транзисторов с одинаковыми па­ раметрами и одним типом проводимости.

Недостатки схемы:

несимметричность схемы приводит к значительным нелинейным искажениям. Для увеличения симметричности в цепь эмиттеров вводят сопротивления (отрицательную обратную связь);

большое выходное сопротивление, что усложняет согласование схемы с нагрузкой;

необходимость применения фазоинверсного каскада на входе; протекание постоянной составляющей тока через нагрузку при неравенстве / кв1 и I ког Для устранения указанного недостатка

используется схема с однополярным источником питания.

В выпускаемых усилителях схема находит ограниченное приме­ нение.

Принципиальная схема выходного каскада усилителя мощности на комплементарной паре с параллельным возбуждением приведе­ на на рис. 4.21. Данный вид усилителя мощности применен в каче­ стве усилителя фильтра вольтметра В6-10. Каскад состоит из двух транзисторов с одинаковыми параметрами, разной проводимостью (комплементарная пара), включенных по схеме с ОК. При отри­ цательном входном напряжении транзистор VT1 работает как эмиттерный повторитель, транзистор VT2 заперт (рис. 4.21,а). При положительном напряжении на входе работает нижний транзистор VT2, a VT1 заперт (рис. 4.21,6).

Рнс. -;.2i

Параметры каскада:

амплитуда входного напряжения UBiin. = U»ni + Uбш I коэффициент усиления по напряжению К и =Uum IUBVU =

= (0,5 El/UBWt )< 1 , где | = U,lm/0,5£ — коэффициент использова­ ния напряжения;

мощность, потребляемая от источника питания Ро~укт Ы)'Е%

амплитудная мощность сигнала на нагрузке Р нт = Ulm/2R

КПД каскада

чению транзистора по схеме с ОК; высокое входное сопротивление;

выполнение одновременно функции фазоинверсного каскада; значительно меньшая, чем в однотактных каскадах, мощность

рассеяния на транзисторах и, следовательно, меньшая площадь радиаторов.

Недостатки схемы:

малый коэффициент усиления по напряжению (меньше едини­ цы);

использование двухполярного источника питания или двух ис­ точников питания;

необходимость термостабилизации тока покоя транзисторов для предотвращения их пробоя;

необходимость стабилизации напряжения в точке подключения нагрузки, смещение которого приводит к нелинейным искажениям и протеканию постоянного тока через нагрузку;

необходимость защиты транзисторов от короткого замыкания: нагрузки;

в большинстве случаев малое усиление по току; отсутствие достаточного ассортимента комплементарных пар

транзисторов; нелинейные искажения, вызванные переключением плеч каска­

да, работающих в режиме класса В.

Принципиальная схема каскада с параллельным возбуждением

и однополярным источником питания приведена на рис. 4.22. Связь

снагрузкой при использовании однополярного источника питания осуществляется с помощью разделительного конденсатора, кото­

рый вносит значительные частотные искажения и потерю мощнос­ ти на нижней рабочей частоте (до 20 %).

Разделительные конденсаторы выбирают из условия удвоенно­ го напряжения. Они обладают значительной емкостью (десятки

... сотни микрофарад). Отличительная особенность принципа рабо­ ты каскада с разделительной емкостью состоит в том, что при от­ рицательном полупериоде входного напряжения ток коллектора-

Рис. 4.24

щий через VT1 ток быстро заряжает входную емкость транзистора VT3 и открывает его. При изменении напряжения сигнала в режи­ ме класса В эту емкость необходимо разрядить в основном через резисторы Rl\ R2, причем чем номинальное значение сопротивле­ ния резистора выше, тем скорость разряда меньше. В результате транзисторы VT3 и VT4 оказываются открытыми, что приводит к появлению сквозного тока. Сквозной ток резко увеличивает мощ­ ность рассеяния, искажает форму сигнала. Обычно номиналь­ ные значения сопротивлений Ru R2 выбирают в пределах сотен ом.

При использовании режима класса В в двухтактных каскадах в области малых токов возникают так называемые переходные ис-