2.5 Багатокаскадні підсилювачі

При посиленні малих вхідних сигналів може виявитися, що одного підсилювального каскаду недостатньо для одержання потрібного коефіцієнта підсилення. У цьому випадку завдання вирішують за допомогою багатокаскадних послідовно з'єднаних підсилювачів. У цих підсилювачах вихідний сигнал попереднього каскаду є вхідним сигналом наступного каскаду. Навантаженням зазначених каскадів є вхідний опір наступного каскаду.

Коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення, які входять до нього.

.

4

в'язок каскадів у багатокаскадному підсилювачі може здійснюватися за допомогою конденсатора, трансформатора, оптрона або безпосередньо. Відповідно до цього розрізняють підсилювачі з конденсаторним (ємнісним) (рисунок 2.11,а) трансформаторним (рис.2.10,б) оптронним (рис. 2.11,в) і безпосереднім (рис. 2.11,г) зв'язком.

Рисунок 2.11 - Різновиди багатокаскадних підсилювачів

Контрольні питання

1. Дайте визначення багатокаскадних підсилювачів.

2. Як визначається коефіцієнт підсилення?

3. Що називається міжкаскадними зв'язками?

4. Наведіть схему підсилювача з ємнісним зв'язком.

5. Наведіть схему підсилювача із трансформаторним зв'язком.

6. Наведіть схему підсилювача з оптронним зв'язком.

7. Наведіть схему підсилювача з безпосереднім зв'язком.

2.6 Каскади посилення потужності

Каскади посилення потужності (ПП) звичайно є вихідними каскадами, до яких підключається зовнішнє навантаження й призначені для одержання в навантаженні необхідної потужності. Каскади ПП відрізняються великою різноманітністю. Вони можуть виконуватися на біполярних і польових транзисторах. По способу підключення навантаження ПП можуть бути трансформаторними й безтрансформаторними. У ПП знайшли застосування три класи посилення: клас А, клас В и клас АВ.

Режим класу А використовується в однотактних каскадах посилення потужності. Ці каскади забезпечують найменші нелінійні викривлення вихідного сигналу, але володіють мінімальним к.к.д. Вони застосовуються при потужності в навантаженні декількох не більше десятків миліват.

У режимі класу В підсилювачі потужності виконують за двотактною схемою з використанням двох транзисторів. Кожний із транзисторів служить для посилення відповідної напівхвилі вхідного каскаду.

Режиму спокою відповідає напруга . Двотактний каскад з найбільш високим к.к.д. і застосовується на найбільш високі потужності, чим однотактний.

Режим класу АВ дозволяє істотно зменшити нелінійні викривлення вихідного сигналу, що сильно проявляється в режимі класу В.

На рисунку 2.12 показано положення робочих точок на вольтамперних характеристиках , що відповідають класу А, класу В і класу АВ каскаду підсилення потужності.

I_б

I_к

А А

U_бе

АВ

В

U_ке

АВ

В

а) б)

Рисунок 2.12 - Положення робочих точок на характеристиках:

а – вхідна;

б – колекторна .

Підсилювач потужності класу А з трансформаторним включенням навантаження

Схему підсилювача потужності на біполярному транзисторі показана на рис. 2.13.

У вихідному ланцюзі підсилювача протікають великі струми, що накладає певні обмеження на величину (величина не перевищує декількох десятків Ом). Звичайно в схемі (рис. 2.12) не шунтують конденсатором , оскільки повинен бути досить великим. А від’ємний зворотний зв'язок використовують для зменшення нелінійних викривлення у каскаді, корекції частотної характеристики й т.д.

Рисунок 2. 13 Схема підсилювача потужності на біполярному транзисторі

Розрахунок каскаду роблять графоаналітичним методом з використанням ліній навантаження за постійним й змінним струмами (рис.2.12) з обліком . Вихідними даними при розрахунку є вихідна потужність і опір . Опір на постійному струмі відносно малий, у силу чого лінія навантаження каскаду за постійним струмом проводиться із точки Е_К майже вертикально. Опір навантаження каскаду на змінному струмі визначається приведеним до первинної обмотки опором:

̃

(35)

де

r₁ и r₂ - опори відповідно первинної й вторинної обмоток трансформатора (малі).

Для вибору координат точки спокою U_ксп, I_сп потрібно визначити величини U_кm, I_кm , ( ).

Потужності і зв'язані співвідношенням

(36)

де – к.к.д. трансформатора .

У випадку синусоїдальної форми сигналу:

(37)

Звідки знаходимо:

(38)

Для визначення скористаємося лінією навантаження каскаду за постійним струмом

(39)

Після знаходження точки спокою транзистора через неї проводиться лінія навантаження за змінним струмом.

Збільшення колекторного струму визначиться формулою:

(40)

Для збільшення коефіцієнта корисної дії застосовують двотактні підсилювачі потужності (рис.2.15), які складаються із двох симетричних плечей. Транзистори VT₁ і VT₂, які підбирають із максимально близькими характеристиками, працюють в однаковому режимі.

Єдиною відмінністю в роботі плечей підсилювача є протифазність струмів і напруг у ланцюгах баз транзисторів і обумовлена протифазність змінних струмів і напруг у колекторних ланцюгах. Вхідний трансформатор забезпечує одержання двох однакових по модулю, але протифазних напруг і .

Вихідний трансформатор підсумовує змінні вихідні струми й напруги транзисторів. До вторинної обмотки трансформатора підключений навантажувальний резистор . Двотактні підсилювачі потужності працюють, як правило, у режимі класу В або АВ. У цьому режимі кожний із транзисторів відкритий і бере участь у формуванні вихідної напруги тільки протягом одного напівперіоду. Реальне значення к.к.д. підсилювача потужності не перевищує 0,35...0,45.

л.н. за постійним струмом

I_бсп

U_кесп

Рисунок 2.14 – Розрахунок каскаду графоаналітичним методом з використанням ліній навантаження за постійним й змінним струмами.

Рисунок 2.15 - Двотактний підсилювач потужності

Транзистори працюють як би по черзі, створюючи гармонійну вихідну напругу із двох напівсинусоїд.

Резистори R₁ і R₂ забезпечують напруга зсуву й протікання внаслідок цього через транзистори невеликих постійних складових струмів I_бсп і I_ксп. При цьому вплив нелінійності вхідних характеристик на режим посилення виключається. Вплив нелінійності вхідних характеристик на форму посилюваного сигналу показаний на рис.2.16 і рис.1.17. На рисунку 2.26 показано випадок коли присутнє зміщення робочої точки.

Переваги двотактних підсилювачів потужності:

1. менші нелінійні викривлення, оскільки вищі гармонійні складові компенсуються;

2. можливість одержання високого к.к.д.;

3. менша чутливість до пульсацій напруги живлення.

Недоліки двотактних підсилювачів потужності:

1) необхідність у двох ідентичних транзисторах;

2. потрібний вихідний трансформатор з виводом середньої точки;

3. наявність двох протифазних вхідних напруг для чого також потрібен трансформатор з виводом середньої точки або спеціальний пристрій.

I_бсп

U_бсп

Рисунок 2.16 Рисунок 2.17

Контрольні питання

1. Дайте визначення каскаду посилення потужності.

2. Наведіть класифікацію режимів посилення.

3. Наведіть схему підсилювача потужності класу А p трансформаторним включенням навантаження.

4. Яке призначення елементів схеми?

5. Опишить роботу підсилювача.

6. Як розраховується каскад графо-аналітичним методом?

7. Як будується лінія навантаження за постійним струмом?

8. Як обираються параметри режиму спокою?

9. Як забезпечується режим спокою?

10. Визначте опір в ланцюзі колектора на змінному струмі.

11. Як будується лінія навантаження за змінним струмом?

12. На графіках покажіть зміни струмів і напруг підсилювача при синусоїдальному вхідному сигналі.

13. Наведіть схему двотактного підсилювача.

14. Яке призначення елементів схеми?

15. Опшить роботу двотактного підсилювача потужності.

16. Які особливості роботи підсилювача в режимі класів В і АВ?

17. Які переваги двотактних підсилювачів потужності?

18. Які недоліки двотактних підсилювачів потужності?