lektsii_ORE_2015

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим согласующим каскадом.

Спомощью ОУ можно выполнять не только усиление сигналов, но

иразличные математические операции: сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и другие.

Схема дифференцирующего усилителя приведена на рис. 9.6. Так как IС = IОС, считаем что входной ток ОУ Iвх = 0, то

Учитывая, что U– близко к нулю, получим что выходное напряжение пропорционально производной от входного напряжения.

Рассмотренная схема дифференцирующего усилителя (см. рис. 7.9) имеет существенные недостатки: входное сопротивление уменьшается до нуля, а коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности с ростом частоты. Для устранения этих недостатков во входную цепь усилителя последовательно с конденсатором включают резистор, сопротивление которого определяет входное сопротивление и ограничивает коэффициент усиления.

Схема интегрирующего усилителя представлена на рис. 9.7.

Из равенства токов IR=IС, поскольку входной ток ОУ Iвх = 0, запишем

точно, если собственный коэффициент усиления ОУ велик.

Схема логарифмирующего усилителя, представлена на рис. 9.8. В этой схеме в цепь обратной связи включен нелинейный элемент – транзистор в диодном включении, для прямой ветви ВАХ которого справедливо выражение

Для напряжения на выходе ОУ справедливо равенство

перехода.

Схема антилогарифмирующего усилителя, показана на рис. 9.9. Для выходного напряжения этого усилителя справедливо выражение

Uвых IД R R I0eUвх UТ .

Двухтактная схема по сравнению с однотактной обладает следующими преимуществами: удвоенная выходная мощность; значительно больший КПД.

В современной усилительной технике в основном используются бестрансформаторные схемы усилителей мощности, обладающие широкой полосой пропускания, малыми нелинейными искажениями сигналов, малыми габаритами и массой.

Рис. 10.3

Существенным недостатком двухтактных каскадов в режиме класса В являются значительные нелинейные искажения (Кг 10 %), которые обусловлены работой на нелинейных начальных участках входных ВАХ БТ. Они называются переходными и проявляются в виде «ступеньки» во временной зависимости выходного напряжения или тока (рис. 10.4) в те промежутки времени, когда мгновенное значение входного напряжения по модулю меньше порогового напряжения обоих транзисторов, т.е. когда входной сигнал

меняет свою полярность.

Для уменьшения нелинейных искажений в двухтактных каскадах используют работу транзисторов в режиме класса АВ, для задания

Рис. 10.4 которого на базы транзисторов оконечного каскада (VT2, VT3) подается напряжение смещения UСМ, сдвигающее их рабочую точку на изгиб входной характеристики (рис. 10.5).

Чтобы получить сигнал с мощностью, достаточной для возбуждения оконечного каскада, используется предоконечный резистивный каскад на

БТ с ОЭ (VT1), работающий в режиме класса А.

Для обеспечения стабильности положения рабочей точки при изменении температурного режима транзисторов оконечного каскада в качестве RТ применяют терморезистор с отрицательным температурным

коэффициентом сопротивления, причем размещают его на радиаторе этих транзисторов.

Лучшие результаты дает использование в качестве элемента термокомпенсации полупроводниковых диодов (рис. 10.6). В основе лежит температурная зависимость прямой ветви ВАХ p-n-перехода, которая характеризуется отрицательным температурным коэффициентом (около -2,2 мВ/°С для кремниевых приборов) и позволяет в идеальном случае осуществить полную компенсацию температурного дрейфа тока покоя

нескольких диодов (рис. 10.6).

9.2.Коэффициент полезного действия выходной цепи усилителя мощности

В случае усиления гармонического сигнала:

Pвых 12 Um,кэIm,к ,

где Um,кэ , Im,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Eк и постоянной составляющей тока Iк,о , протекающего в коллекторной цепи:

Pип Eк Iк,о .

Таким образом, КПД равен:

Очевидно, что максимальный КПД (100%) получается при 2 .

При максимальном использовании линейного участка ( режим класса А)

следовательно, 12 ; 1, и, для идеального усилителя в режиме класса ―А‖ имеем

A,max 12 12 1 25% .

В реальных усилителях мощности линейный участок входной и выходной характеристики ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный A,max 25%.

Увеличения КПД в режиме класса ―А‖ можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением для переменного тока. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Ек, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания 1, и максимальный КПД при такой идеализации

A,max 12 1 1 50% .

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Практической реализацией такого способа являются

двухтактные схемы усилителей мощности, например, режим В, в котором транзисторы работают с углом отсечки θ = 900 в противофазе.

В режиме В рабочая точка выбирается так, чтобы ток через усилительный элемент протекал только в течении половины периода входного сигнала. Усилительный элемент работает с так называемой отсечкой. Ток покоя из-за нижнего изгиба сквозной характеристики оказывается не равным нулю, и форма выходного тока искажается относительно входного. В кривой тока появляются высшие гармоники, что приводит к увеличению нелинейных искажений по сравнению с режимом А. Среднее значение выходного тока уменьшается, в результате чего КПД каскада достигает 60-70%.

КПД двухтактного усилителя

Мощность переменного тока в выходной цепи равна

. Pвых 12 ImkUmk

Мощность, потребляемая обоими транзисторами от источника питания,

транзистора.

Рис. импульсы коллекторного тока

Коэффициент полезного действия выходной цепи двухтактного усилителя мощности равен:

.

ЛЕКЦИЯ №17

11 .ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Классификация генераторов

Электрическими являются генераторы, непосредственно преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию колебаний. Электромеханическими являются генераторы, в которых частота генерируемых колебаний задается частотой механических колебаний некоторых материалов (кварцевой пластины).

В генераторах с внутренним возбуждением или с самовозбуждением

колебания формируются за счет внутреннего источника питания.

Рисунок 11.1 - Классификация генераторов

Вгенераторах с внешним возбуждением формирование колебаний осуществляется из поступающего на его вход другого колебания (умножение и деление частоты).

Релаксационные генераторы или мультивибраторы формируют колебания не гармонической формы (последовательности прямоугольных, треугольных, пилообразных, колокообразных и т. д. импульсов).

Гармонические или квазигармонические генераторы формируют колебания гармонической формы.

ВRC-генераторах в качестве избирательной цепи используются RCфильтры.

ВLC-генераторах в качестве избирательной цепи используется параллельный колебательный контур.

колебаний. Стационарный режим работы длится с момента стабилизации параметров колебаний и до выключения генератора (рисунок 4).

Рисунок 11.3 - Режимы работы автогенератора

11.2.Принцип работы генератора

Генератор гармонических колебаний (как и колебаний любой формы и

частоты) можно представить обобщенной структурной схемой, состоящей из нелинейного резонансного усилителя с комплексным коэффициентом усиления К=K(jω) и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению j .

В представленной схеме генератора отмечены комплексные амплитуды следующих напряжений: входного — UBX = UBX(jω); выходного — UBЫX = UBЫX(jω); и обратной связи— Uос = Uос(jω);.

Выражение для напряжения обратной связи на любой частоте генерации ю запишем в виде

Тогда выходное напряжение определяется как Uвых = KUbx, или с учетом формулы (6.1), Uвых= KβUвых. Отсюда следует, что автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, когда

Если Kβ > 1, то амплитуда выходных колебаний нарастает, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора. Представим формулу (6.2) следующим образом:

Здесь показатели К(ω) = К и β(ω) = β — действительные значения коэффициента усиления собственно усилителя (без цепи ОС) и коэффициента передачи цепи положительной ОС; к к и — фазовые сдвиги,

вносимые соответственно усилителем и цепью положительной ОС на текущей частоте ω.

11.3. Условие баланса фаз и баланса амплитуд

Для системы с ПОС условие стационарного режима (установившихся колебаний).

Комплекснозначное уравнение (12.1) эквивалентно двум уравнениям для действительных функций: