Frisk_2

Температурная стабилизация оконечного каскада с применением терморезистора

Угол наклона прямой, соответствующей наилучшему линейному приближению, определяет значение температурного коэффициента ТС1 резистора, включаемого между базами транзисторов Q4 и Q5. Описание модели терморезистора (рис.6.32) в основном совпадает с описанием обычного резистора (рис.6.5). Назначение кнопок, описание атрибутов и др. рассмотрены ранее при вводе схемы усилителя мощности.

В этом случае не ограничиваются указанием атрибутов резистора (PART, RESISTANCE), а включают описание

Рис.6.32

параметров, задающих температурную и (или) частотную зависимость величины сопротивления. Это происходит при описании атрибута MODEL. В этом случае можно описать MODEL в строке задания атрибута VALUE в формате [ТС=<tc1>[<tc2>]]. Если ограничиться указанием имени модели (например, Rt), то температурные факторы вводятся в

подсвеченных окнах текстового файла

(рис.6.3.26) вво-

дятся параметры резистора, где

380

(рис.6.3.27)-масштабный коэффициент спектральной плотности шума. Редактирование коэффициента и его сохранение проводится только для конкретной схемы. Сохраняется в текстовом файле описания модели резистора,

(рис.6.3.28)- масштабный множитель сопротивления. Отредактированное значение и описание сохраняется в текстовом файле,

(рис.6.3.29)- линейный температурный коэффициент. Отредактированное значение сохраняется в текстовом файле описания модели,

(рис.6.3.30)- квадратичный температурный коэффициент. Отредактированное значение сохраняется в текстовом файле описания модели,

(рис.6.3.31)- экспоненциальный температурный коэффициент сопротивления. Отредактированное значение сохраняется в текстовом файле описания модели. Номинальное значение сопротивления резистора, задаваемое в окне атрибутов RESISTANCE составляет величину, определенную для номинальной температуры (по умолчанию t = 27оС) и режима транзисторов по постоянному току при вычислении напряжений в узлах и токов в ветвях схемы (рис.6.26). Параметр модели резистора ТС1 – линейный температурный коэффициент часто задается в справочном листке резистора как миллионные доли на оС (ppm/degree C). Для преобразования этого справочного параметра в ТС1 необходимо его деление на 106. Для гипотетического резистора R15, который должен обладать температурной зависимостью его сопротивления (Rt), противоположной характеру изменения току коллектора значение ТС1= -8,53е-3. Схема усилителя мощности с включенным “терморезистором Rt ” имеет вид (рис.6.33,б)

Рис.6.33

Последовательно выполнив команды Analysis → Dynamic DC…→ Dynamic DC Limits → OK, получим результаты анализа схемы усилителя на постоянном токе (рис.6.36). Сравнивая значения напряжений в узлах и токов в ветвях схемы (рис.6.28,6.29) и схемы, с введенным терморезистором (рис.6.34), убеждаемся, что режим по постоянному току не изменился.

381

5.Краткие выводы

6 Контрольные вопросы

1.Изобразите схему двухтактного трансформаторного каскада. Покажите протекание постоянной и переменой составляющих токов.

2.Какой режим работы усилительных элементов используется обычно в двухтактных усилителях мощности и почему?

3.Поясните в чем преимущество бестрансформаторных схем в оконечных усилительных каскадах по сравнению со случаем применения согласующих трансформаторов.

4.Изобразите схему однотактного усилителя. Сравните значение КПД, получаемого в однотактной и двухтактной схеме, объясните причину различия.

5.Изобразите нагрузочную характеристику для схемы трансформаторного усилителя, работающего в режиме А. Укажите положение рабочей точки активного элемента и преимущества и недостатки такого выбора.

6.Изобразите нагрузочную характеристику для схемы трансформаторного усилителя, работающего в режиме В. Укажите положение исходной рабочей точки активного элемента и преимущества и недостатки такого выбора.

7.Почему редко используются схемы однотактных бестрансформаторных оконечных каскадов? Изобразите принципиальную схему такого каскада.

8.Изобразите принципиальную схему простейшего бестрансформаторного выходного усилительного каскада с двумя источниками питания.

9.Изобразите принципиальную схему двухтактного бестрансформаторного усилительного каскада с вольтдобавкой и покажите протекание постоянных токов.

10.Нарисуйте принципиальную схему двухтактного бестрансформаторного усилительного каскада с вольтдобавкой и поясните, как обеспечивается напряжение смещения на транзисторах.

11.Какой вид обратной связи (по знаку и способу подачи и снятия напряжения ОС) обеспечивается в усилителе мощности с вольтдобавкой?

12.Какую функцию выполняют диоды в схеме бестрансформаторного усилителя мощности с вольтдобавкой? Как изменится форма выходного сигнала при уменьшении их числа до одного?

7 Краткие теоретические сведения

Работа выходных каскадов от других отличается высоким уровнем сигнала. Это требует повышения эффективности использования транзисторов по току и напряжению, т.е. работу транзисторов в режимах близких к режиму насыщения, а повышение КПД – использованию АЭ с малыми значениями токов в ИРТ. Все вместе это приводит или к режиму ограничения, или к режиму отсечки выходного тока, искажению его формы и, соответственно, возрастанию нелинейных искажений.

В зависимости от реализации различают два вида выходных каскадов: однотактные и двухтактные. В зависимости от применяемой цепи связи с нагрузкой: резисторные, дроссельные и трансформаторные; а при отсутствии цепи связи – бестрансформаторные и бесконденсаторные. В зависимости от типа применяемых АЭ – выходные каскады могут быть транзисторные или ламповые.

Необходимость получения большой выходной мощности (напряжения) в нагрузке требует применения в выходных каскадах АЭ с большой мощностью рассеяния на коллекторе (аноде), работающих на мощностях, близких к предельным значениям. Это в свою очередь требует увеличения мощности источников питания и повышения КПД каскада, что позволяет снизить потребляемую мощность и мощность рассеяния на АЭ. Уменьшение

385

рассеиваемой мощности позволяет снизить остроту проблемы отвода тепла, повысить стабильность работы АЭ, повысить экономичность работы выходного каскада. Методика анализа работы выходных каскадов существенно отличается от применяемой для каскадов предварительного усиления, работающих на малом сигнале. В этом случае при расчете параметров каскада необходимо применять, усредненные по амплитуде сигнала, значения крутизны, внутреннего сопротивления. Обычно для этого применяют графоаналитические методы с использованием динамических характеристик, позволяющие оценить выходную и потребляемую мощность, уровень нелинейных искажений.

Однотактные выходные каскады

Различают резисторные, трансформаторные и дроссельные выходные каскады. Резисторные каскады предназначены для усиления высоких уровней напряжения и ши-

роко применяются в операционных усилителях, УПТ, балансных и дифференциальных каскадах, широкополосных и импульсных усилителях [2,3].

Применение согласующего трансформатора в выходных каскадах позволяет обеспечивать оптимальное, с точки зрения согласования с нагрузкой, сопротивление в выходной цепи АЭ. Трансформаторные выходные каскады получили широкое применение в усилителях многоканальной связи, когда входной и выходной трансформаторы выполняют функцию не только согласующих цепей, но и являются компонентом цепи общей частот- но-зависимой отрицательной ОС.

Дроссельный каскад, обладая свойствами во многом схожими с трансформаторным каскадом, при этом не позволяет обеспечивать оптимальное сопротивление нагрузки и поэтому находит ограниченное применение.

Трансформаторный каскад

В однотактном выходном каскаде усиление осуществляется одним транзистором (рис.6.39,а), работающем в режиме А

Выходной трансформатор Т преобразует сопротивление внешней нагрузки Rн (например, волновое сопротивление коаксиальной линии) в сопротивление коллекторной нагрузки

386

где r 1 и r 2 — активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора (сопротивление потерь, которым обычно пренебрегают, т.к. Rн >> r 1 + r 2); nт = ω 1/ω 2 – коэффициент трансформации, где ω 1 и ω 2 – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Выходной трансформатор одновременно позволяет исключить взаимное влияние нагрузки на режим работы АЭ и, наоборот. Нагрузочная прямая ВС (рис.6.41,б), наклон которой величиной сопротивления Rн к, проходит через точку А, положение которой определяется режимом в ИРТ (Uкэ0, I к0), задаваемой на нагрузочной прямой по постоянному току. Если сопротивление первичной обмотки трансформатора r 1 = 0, то нагрузочная прямая по постоянному току проходит вертикально через точку А и Uкэ0 = Е. Временные диаграммы (рис.6.41,б) отражают характер мгновенных значений коллекторного тока и напряжения максимально возможной амплитуды при усилении гармонического сигнала. Точки В и С определяют границы используемой нагрузочной прямой при работе транзистора в режиме А. Точка В соответствует границе перехода в режим насыщения, а точка С

– в режим отсечки. Напряжение в точке В и ток в точке С являются минимальными и называются остаточными (u ост, i ост).

Эффективность работы транзистора определяется коэффициентами использования тока

где Uкэm, I кm – амплитуда напряжения и тока на коллекторе транзистора (рис.6.41,б) Коэффициенты ξi иξu выбирают исходя из требований получения максимально воз-

можной выходной мощности при заданном уровне нелинейных искажений, что ограничивает их значения в реальных условиях до величины 0,8 …0,9.

меньше 50%, хотя и выше чем для резисторного каскада. Обычно коэффициенты использования не стремятся получать наибольшими (равными единице) поскольку вблизи точек

Ви С работа транзистора сопровождается большими нелинейными искажениями.

Сучетом КПД трансформатора η т , мощность отдаваемая в реальную нагрузку Rн

Транзистор выбирают по значению мощности, рассеиваемой на коллекторе Р к.макс по условию

Поскольку мощность на нагрузке пропорциональна квадрату амплитуды напряжения, то в режиме А (при неизменном среднем токе питания) уменьшение амплитуды напряжения на нагрузке приводит к быстрому уменьшению КПД. Кроме того, как показывает (6.5)

К другим недостаткам трансформаторных каскадов следует отнести большие размеры, массу, стоимость, сравнительно узкую полосу пропускания и невозможность реализации усилителя по интегральной технологии.

387

Двухтактные выходные каскады

Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента (иногда две группы параллельно соединенных АЭ), работающих на общую нагрузку, а фазы выходных токов которых, противоположны. Отдельно взятый АЭ, с цепями связи и питания, образует плечо двухтактного каскада.

В зависимости от способа управления АЭ двухтактные каскады подразделяются на каскады:

-с параллельным управлением однофазным входным напряжением (при использовании в качестве АЭ БТ применяют транзисторы с разным типом проводимости, работающие в режиме В или АВ)

-с параллельным управлением двухфазным напряжением (применяют однотипные БТ, работающие в режиме А или АВ)

-с последовательным управлением однофазным напряжением (применяют однотипные БТ, работающие в режиме А, когда сигнал с выхода первого из них, подается на вход второго).

Благодаря отличию фаз выходных токов на π происходит частичная компенсация нелинейных искажений, вносимых плечами. Использование режима А в выходных каскадах обеспечивает очень малые нелинейные искажения, меньшие чем в однотактной схеме.

Транзисторные схемы двухтактных оконечных каскадов, использующих выходной трансформатор, могут выполняться с резисторно-емкостной или с трансформаторной связью с предоконечным каскадом (рис.6.40)

Рис.6.40

Резисторы R1 и R2 – делитель напряжения питания, обеспечивающий смещение на оба транзистора VT1 и VT2и задающий ток коллектора каждого транзистора I к0 в исходной рабочей точке. Резистор R3 — сопротивление эмиттерной температурной стабилизации. Для выравнивания коллекторных токов плеч вместе с резистором R3 могут быть дополнительно включены резисторы в эмиттерные цепи каждого транзистора. При работе усилительных элементов в режиме В резисторы в цепях эмиттеров отсутствуют. Входные напряжения u вх1 и u вх2 равны по величине и противоположны по фазе. Трансформатор Т1 обеспечивает получение противофазного напряжения, необходимого для возбуждения оконечного каскада, т.е. является фазоинверсным звеном. При открывании одного транзистора другой закрывается, т.е. транзисторы работают поочередно, создавая токи коллекторов iк2 и iк3 . Эти токи протекая через первичную обмотку трансформатора Т2 индуциру-

ют во вторичной обмотке токи, протекающие через нагрузку во встречных направлениях. Нагрузка Rн подключена к транзисторам через выходной трансформатор со средней точкой в первичной обмотке.

Для трансформатора Т со средней точкой мгновенные напряжения на входе каждой из

388

Ток iк2 в коллекторной цепи транзистора VT2 под действием напряжения u вх1 вне зави-

симости от режима работы транзистора (А, В, АВ) можно представить разложением в ряд Фурье

ствующих гармоник коллекторного тока (полагая начальные фазы равными нулю). Коллекторный ток i3 транзистора VT3 с учетом входного воздействия (6.10) представляем

разложением в ряд Фурье заменой аргументов ωt на ωt+π

Поскольку токиiк2 и i3 в первичной обмотке трансформатора Т2 протекают встречно, создавая встречный магнитный поток, пропорциональный разности iк2 — i3 , то ток в на-

где d – коэффициент пропорциональности содержит только удвоенные нечетные гармоники.

Из выражений (6.13) и (6.11), (6.12) следует, что четные гармоники компенсируются, не создавая магнитный поток, а, следовательно, напряжение на нагрузке отсутствует.

Анализируя соотношение (6.14) можно заметить, что двухтактный каскад обладает рядом положительных свойств.

—компенсация четных гармоник, т.к. они, входя в состав токов плеч каскада, изменяются синфазно, взаимно уничтожаясь в нагрузке.

—отсутствие постоянного тока подмагничивания магнитной цепи выходного трансформатора, поскольку при отсутствии сигнала через первичную обмотку протекают рав-

ные токи iк2 и i3 , создающие равные и противоположные магнитные поля, компенсирую-

щие друг друга. Это позволяет уменьшить габариты и стоимость выходного трансформатора.

—относительно небольшая чувствительность к пульсациям питающего напряжения. Это объясняется тем, что токи покоя обоих плеч изменяются одинаково и поэтому их разность оказывается равной нулю. В связи с этим, допускаются пульсации напряжения источников питания для двухтактных схем в 3-5 раз выше, чем для однотактных.

—отсутствие тока частоты усиливаемого сигнала в цепи источника питания; поскольку суммарный ток, проходящий через источник питания, не содержит составляющей частоты входного воздействия. Это снижает требования к фильтрам на выходе источников питания, упростить развязывающие межкаскадные фильтры.

Двухтактные каскады в режиме В

Двухтактные каскады в режиме А создают очень малые нелинейные искажения, но при этом обладают относительно низкими энергетическими показателями. Работа АЭ в двухтактных выходных каскадах в режиме В позволяют получать высокий КПД и малую мощность потерь в транзисторах. Переход АЭ в режим В достигается исключением цепи смещения (R3, рис.6.40). Ток покоя в этом режиме равен нулю (практически очень мал), что реализует очень экономичный режим работы выходных АЭ. Транзисторы работают строго поочередно, пропуская полуволну в свой полупериод (рис.6.41,а).

389