Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

8.Приведите пример построения динамической характеристики усилителя.

9.Чем определяется поведение амплитудно-частотной характеристики усилителя в области низких частот?

10.Чем определяется поведение амплитудно-частотной характеристики усилителя в области высоких частот?

11.Чем определяется поведение фазочастотной характеристики усилителя в области низких частот?

12.Чем определяется поведение фазочастотной характери-

стики усилителя в области высоких частот?

13. В чем заключаются особенности анализа каскадов на полевых транзисторах?

14.В чем заключаются особенности широкополосных усилителей (ШПУ) в отличие от усилителей звуковой частоты?

15.Как взаимосвязаны АЧХ усилителя с параметрами импульса при усилении импульсных сигналов?

16.Что характеризует показатель ШПУ - «площадь усиления каскада»?

17.Какие параметры импульсного усилителя влияют на площадь усиления ШПУ?

18.Приведите схему НЧ коррекции с помощью цепочки RфCф и объясните принцип ее работы.

19.Приведите параметры НЧ коррекции и объясните их влияние на ЧХ и ПХ.

20.Приведите схему НЧ коррекции с помощью ООС и объясните принцип ее работы.

21.Приведите схему ВЧ коррекции с помощью параллельной индуктивности и объясните принцип ее работы.

22.Приведите схему ВЧ коррекции с помощью последовательной индуктивности и объясните принцип ее работы.

23.Приведите схему ВЧ коррекции с помощью ООС и объясните принцип ее работы.

Лекция 7

Тема: анализ и схемотехника выходных мощных каскадов усиления

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдатьнагрузкезаданнуюмощность.

В противоположность устройствам силовой электроники при проектировании устройств информативной (информационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и получить выходные сигналы, содержащие ту или иную информацию о входных.Вкачествепримераможно назватьустройства,определяющие, в какой момент времени входной сигнал принимает максимальное значение. В устройствах информативной электроники, как правило, стремятся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. В устройствах силовой электроники такую задачу в соответствии с изложенным нельзя ставить в принципе. Реальное устройство может содержатьчертыкаксиловой, таки информативнойэлектроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отметить, что функции устройств информативной электроники все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микропроцессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.

На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия усилителя мощности.

Другой важной проблемой является уменьшение габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они

часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД — в режиме классов В или АВ /1/.

Основная особенность работы выходных каскадов — высокий уровень сигналов, что накладывает на них ряд специфических требований.

7.1. Требования к оконечным усилительным каскадам

Назначение выходного каскада — обеспечить:

1)при заданном значении сопротивления нагрузки требуемый уровень сигнала. Если нагрузка активна, то необходимо обеспечить требуемую РВЫХ; если нагрузка содержит реактивность, то необходимо обеспечить требуемое значение напряжения UВЫХ.

2)требуемый уровень сигнала на выходе должен обеспечиваться при допустимых линейных и нелинейных искажениях.

Кроме того:

3)необходимо обеспечить минимум потребления от ИП

или

4)максимум КПД.

При этом

5)необходимо обеспечить минимум потери на УЭ и, соответственно,

6)обеспечить требуемый температурный режим УЭ. Обычно в оконечных каскадах применяются мощные УЭ. При этом необходимо

7)максимально использовать УЭ (по мощности, по току

-для минимизации потерь на нем). Рекомендуется выбирать менее мощный с максимумом его использования по допустимым параметрам.

7.2. Схемы выходных каскадов

Существуют следующие виды практических схем усилителей:

1)Простая схема;

2)Двухтактная схема;

3)Трансформаторная схема;

4)Дроссельная схема.

Как было рассмотрено в лекции 6, в зависимости от типа схемы выходного каскада используются один из вариантов схем включения УЭ.

Транзисторы в трансформаторных схемах мощного усиления обычно включают по схеме с ОЭ или ОБ.

При включении по схеме с ОЭ получают максимум усиления по мощности; при этом требуется минимум мощности от предоконечного каскада, что удешевляет схему.

При включении по схеме с ОБ получают минимум коэффициента гармоник и хорошую стабильность каскада при изменении температуры, нестабильности источника питания, старении. Но при этом велик входной ток, приходится «умощнять» предоконечный каскад.

Включение по схеме с ОК в трансформаторных схемах применяют редко — не имеет преимуществ по сравнению с ОБ.

Достоинство простой схемы непосредственного включения нагрузки RН — ее простота, отсутствие дополнительных деталей, потерь мощности в выходном устройстве, широкая полоса частот.

Недостатки — протекание постоянной составляющей тока через нагрузку; высокий потенциал ЕП на RН; невысокий КПД ≤ 20% для транзисторных усилителей (≤ 12% для тетродов; ≤ 7% для триодов ламповых). Схема редко используется в выходных каскадах.

Простая схема выходного каскада с RC-цепью (рис.7-1):

рис.7-1

Ток питания не проходит через сопротивление нагрузки RН. Нагрузка соединена с землей одним концом, что часто удобно. Достоинство схемы – ее простота. Недостатки — низкий КПД ≤ 5÷6% для транзисторных; ≤ 2÷3% для лам-

повых каскадов. Применяют при уровне (10÷100) милливатт выходной мощности Трансформаторные (дроссельные) выходные каскады (рис.7-2) имеют более высокий КПД.

рис.7-2

Ток питания не течет через нагрузку. Максимальный КПД в два раза выше, чем у резисторного каскада с непосредственным включением и приблизительно в 6 раз больше, чем у каскада с RC-цепью.

Однако полоса усиливаемых частот у дроссельного каскад меньше, чем у резисторного. У трансформаторного — еще меньше. А стоимость и габариты — больше.

Трансформаторные каскады могут работать практически на любое, достаточно низкое сопротивление RН. Особенности анализа: способ расчета зависит от схемы каскада, типа УЭ, его режима; выбора ЕП, RН, RВХ, UВХ и

т. д..

При расчете необходим учет заданного коэффициента нелинейных искажений.

7.3. Трансформаторный каскад мощного усиления

врежиме А

7.3.1. Общие соотношения

Мощность полезного сигнала Р~,, которую должен отдать УЭ, должна быть больше выделяемой мощности в нагрузке РН, так как часть мощности теряется в выходном трансформаторе:

Р~ PН ,

ТР

где для расчетов ηТР определяется из табл.7-1: табл.7-1

Так как точка покоя в режиме А находится на середине прямолинейной части нагрузочной прямой, то форма выходного тока и напряжения при синусоидальном входном сигнале близка к синусоиде (рис.7-3).

При этом (для идеального трансформатора его сопротивление по постоянному току R= = 0), напряжение покоя U0 равно напряжению питания Е0 (пренебрегая падением на-

пряжения, например, на сопротивлении Rэ). Для этого случая:

максимальная отдаваемая мощность УЭ:

Р~ max = 0,5 Uвых m ∙Iвых m = 0,5∙ξ ∙ψ ∙U0∙ I0

где Uвыхm — коэффициент использования напряжения

U0

питания;

Iвыхm — коэффициент использования тока покоя.

I0

рис.7-3

1 — нагрузочная характеристика для постоянного тока для R= = 0;

2 — нагрузочная характеристика для переменного тока

R~.

При этом среднее значение выходного тока УЭ равно току

Сопротивление нагрузки по переменному току (при синусоидальном входном сигнале):

R~ = Uвых m / Iвых m = ξ ∙ U0 / ψ ∙ I0

Потребляемая выходной цепью мощность (от источника питания):

P0 = IСР ∙ Е = I0 ∙ U0

(без учета потерь на Rакт обмотки трансформатора). Максимальное КПД трансформаторного каскада в режиме А:

ηА max 50%.

Как видно из рис.7-3 - при синусоидальном сигнале Umax ≈ в 2 раза больше напряжения источника питания. Это объясняется тем, что при убывании тока Umax складывается из U0 и противоэдс индуктивности L1 обмотки трансформатора, стремящейся поддержать убывающий ток.

При импульсных сигналах с крутыми фронтами может быть

Umax ≈(5 ÷ 10) Е.

Поэтому для трансформаторных каскадов, особенно транзисторных, берут U0 ≈ (0,3 ÷ 0,4) UДОП транзистора. Мощность, выделяемая на электродах УЭ:

Р = Р0 - Р~.

Для режима А при отсутствии сигнала (Р~ = 0) выделяемая на УЭ мощность максимальна Р = Р0 . Поэтому выбирают:

Р0 = U0 ∙ I0 ≤ Рmax (справочное),

I0 ≤ Рmax / U0 (справочное).

Радиатор рассчитывают по Р0 .

7.3.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме А

1.Выбор схемы и выбор способа включения УЭ.

2.Определяют отдаваемую транзистором мощность

Р~ = РН / ηТР-Р .

3. Выбирают транзистор с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе транзистора РК max ≥ 3 Р~ . Напряжения U0 и ток I0 определяются по допустимой РК max (желательно, чтобы они были максимальны, так как при этом обеспечивается минимум нелинейных искажений). Для схемы с ОЭ при этом минимальна входная мощность РВХ. Выбирается

U0 ≈ (0,3 ÷ 0,4) Uдоп. max (справочное).