книги / Физические основы электроники
..pdfОднокаскадный усилитель на транзисторе (рис. 5.21). Пол ная эквивалентная схема приведенного каскада для перемен ного тока, в которой транзистор заменен Т-образной эквива лентной схемой,выглядит следущим образом (рис. 5.22).
В усилительном каскаде Cm невелика. Обычно Хст » Rm, поэтому емкостью C m пренебрегают. Всегда См « Сю. Если С п « Сю , то емкостями Сн и См можно пренебречь.
В этой эквивалентной схеме элементы Bh, /ъ и Сю можно
заменить одним идеальным генератором тока B J & , |
ЭДС Ет |
можно заменить эквивалентной ЭДС Ет= qEr'. |
|
Rr' = qR?\ |
(5.51) |
R6
4 = (5.52)
R T + Ъ
С учетом вышеизложенного получаем упрощенную экви валентную схему (рис. 5.23).
к
Рассматривая работу однокаскадного усилителя, мы не учитывали емкости Сэ, С\ и Си. Емкость Сэ вносит дополни тельные искажения в области низких частот. На низких час тотах она перестает шунтировать R 3, в результате чего возни кает отрицательная обратная связь (ООС) по переменному току и коэффициент усиления падает.
Емкость Ci уменьшает входной ток усилителя и вызывает дополнительные низкочастотные искажения. Искажения, обу словленные емкостью Ci тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление источника R r. При идеальном генераторе тока эти искажения отсутствуют. При наличии емкости Сн искаже ния в области высших частот возрастают (рис. 5.24).
5.7. Выходные каскады усилителей (усилители мощности)
Основным назначением выходного каскада усилителя яв ляется отдача в нагрузку заданной или максимально возмож ной мощности, близкой к предельной для данного типа тран зистора, при наименьшем потреблении энергии от источни ков питания и допустимых уровней нелинейных и частотных искажений. Основными показателями выходного каскада яв ляются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность, КПД, уро вень нелинейных искажений и полоса пропускания. Нели нейные искажения и КПД каскада зависят от выбора началь ной рабочей точки транзистора. При жестких требованиях к уровню нелинейных искажений выходной каскад работает в классе А, а при необходимости получения высокого КПД
— в классах АВ и В.
При непосредственном включении нагрузки в цепь кол лектора транзистор отдает нагрузке максимальную мощность
при равенстве выходного сопротивления сопротивлению на грузки. Поэтому в мощных выходных каскадах применяется трансформаторное включение нагрузки, позволяющее полу чить в нагрузке наибольшую неискаженную мощность.
При трансформаторном включении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не протекает через сопротивле ние нагрузки, что уменьшает расход потребляемой мощности питания и повышает КПД. В зависимости от требований выхо дные каскады могут быть однотактными или двухтактными.
Однотактные каскады чаще применяются при относитель но малых выходных мощностях, двухтактные — при боль ших. В однотактной схеме транзистор работает в режиме А , в двухтактной в режиме А , АВ или В . Из этих вариан тов наиболее экономичным является двухтактная схема в ре жиме В . В зависимости от требований к величине отдавае мой мощности и уровню нелинейных искажений транзисторы в выходных каскадах могут работать с ОЭ и ОБ. Схема вклю чения с общим коллектором применяется весьма редко. В схе ме включения с ОБ транзистор имеет наибольшее допустимое напряжение U*. Макс и сравнительно линейную переходную ха рактеристику вплоть до высокого значения токов /к. Поэтому схема включения с ОБ позволяет получить наибольшую вы ходную мощность при заданных нелинейных искажениях. Кроме того, в схеме с ОБ режим работы каскада мало меняет ся при изменениях температуры и при замене транзистора.
Схема включения с ОЭ дает наибольшее усиление по мощности (примерно в 8 раз). Однако в схеме с ОЭ возраста ют нелинейные искажения и требуется значительная мощ ность для питания цепей стабилизации режима.
При расчете выходного каскада применяют и удобный графоаналитический метод. Соотношения на основе малосиг нальных параметров неприемлемы для усилителей мощности.
При расчете выходного каскада обычно задаются: выхо дная мощность Рвых = Рн, сопротивление нагрузки Р н, допу стимый коэффициент нелинейных искажений, низшая и выс шая частоты рабочего диапазона / н и / в, допустимые коэффи циенты частотных искажений каскада Ми, Мъ и границы из менений температуры окружающей среды. Обычно бывает известен тип источника питания. При расчете необходимо выбрать напряжение источника питания, начальное положе ние рабочей точки (тока покоя коллектора), определить сме-
-Ес |
Рис, 5.25 |
' / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / А
шение входной цепи, приведен ное к коллекто рной цепи соп ротивление на грузки, отдавае мую каскадом мощность, амп литуду вход ных тока и на пряжения, вход ное сопротив
ление каскада, коэффициент нелинейных искажений, элемен ты цепей смещения и стабилизации. Кроме того необходимо провести электрический и конструктивный расчет выходного трансформатора.
Однотактные выходные каскады с трансформаторным включением нагрузки в классе А. Принципиальные схемы таких усилителей представлены на рис. 5.25—5.27. Транзи стор в каскаде с трансформаторным включением нагружен по постоянному току малым активным сопротивлением первич ной обмотки трансформатора. Если на входе каскада нет пере
менного напря жения и сопро тивление Л = О, то напряжение на коллекторе мало отличает ся от напряже ния источника коллекторного питания. Нагру зочная прямая
'////////////////////////////////////////>
Рис. 5.26
по постоянному току идет круто — почти вертикально (рис. 5.28).
Сопротивление на грузки по переменному току является комплек сным. Однако прибли женный расчет основ ных показателей уси
лителя может быть проведен для некоторой средней частоты, на которой нагрузку можно считать чисто активной.
Расчет выходного каскада сводится в основном к выбору приведенного к коллекторной цепи сопротивления нагрузки
R ', начального положения рабочей точки и величины сигна
ла раскачки. Эти факторы определяют отдаваемую мощность, КПД, нелинейные искажения и другие показатели выходного сигнала.
Перед построением нагрузочной прямой и выбором оп тимального нагрузочного сопротивления необходимо опреде лить рабочую область статических характеристик транзисто ра. Эта область ограничена небольшим напряжением коллек тора С/к.макс, током коллектора /к.макс и мощностью рассеяния на коллекторе Рк.макс при небольшой заданной температуре. Величины {/к.макс, /к. макс И Рк. макс ПрИ fnep. ма*с ОПрвДвЛЯЮТ Выбор типа транзистора при расчете мощного выходного каскада. Кроме того, при заданном уровне нелинейных искажений рабочая область ограничена минимальным напряжением коллектора UK.um и током коллектора к. мин (минимальный ток коллектора для схемы с ОБ соответствует нулевому току эмиттера, а для схемы с ОЭ — минимальному току базы, ко торый выбирается в диапазоне от к = 0 до к = -Ло).
Начальное и среднее положения рабочей точки однотакт ного каскада в классе А не могут находиться выше гипер болы наибольшей мощности рассеяния (см. рис. 5.28).
Положение рабочей точки и наклон нагрузочной прямой необходимо выбирать так, чтобы амплитуды положительного и отрицательного полупериодов выходного сигнала были равны.
Определим оптимальное значение сопротивления R B, обе спечивающее наибольшую величину отдаваемой мощности:
Р = ^ ~ , |
(5.53) |
Лтр |
|
где г|тр— КПД выходного трансформатора (г|тр = 0,6-0,75 для мощности до 1 Вт, Цтр = 0,7-0,85 для мощности от 1 до 10 Вт, т|тр = 0,85-0,94 для мощности от 10 до 100 Вт).
Наибольшая мощность рассеяния выбранного транзисто ра Р к.макс должна превышать величину Р.
Отдаваемая транзистором максимальная мощность зави сит от амплитуд переменных составляющих напряжения и то ка коллектора.
где Uюп и / и — максимальные амплитуды переменных
составляющих коллекторных напряжения и тока.
Для прикидочных расчетов можно считать, что падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора при протекании через нее тока покоя тран зистора равно
Д £ '« 0 ,1 £ к . |
(5.55) |
Можно полагать, что на сопротивлении R 3 создается па дение напряжения
|
Д Е " » (0,1 ч- 0,2) Е к. |
(5.56) |
|
Тогда напряжение, приложенное между коллектором и |
|
общим электродом (эмиттером или базой), равно |
|
|
|
U OK = Е к - АЕк, |
(5.57) |
где |
АЕк = АЕк + АЕк". |
(5.58) |
Начальная рабочая точка располагается на вертикали UOK = = const. Величину UOKцелесообразно брать не более 0,4 £/к.макс. UK.макс, зависит от схемы включения транзистора.
Максимальная амплитуда напряжения на коллекторе, со ответствующая максимальному выходному сигналу, опреде ляется разностью
U кт = U OK ~ U K.MHH — Ек — АЕк — U K. мин. |
(5.59) |
Максимальное напряжение на коллекторе
UK. макс ~ 2 t/Km+ Uк. мин. |
(5.60) |
Максимальная амплитуда выходного сигнала будет
UKm ^ 1/2 U K. макс. |
(5.61) |
Максимальная амплитуда тока коллектора определяется из следующего выражения:
г _ |
-^к.макс —-^к.мин |
• |
/г /-i\ |
•нс«и |
~ |
(5-62) |
Мощность, отдаваемая транзистором, равна полусумме площадей треугольников ОА С и O BF . Оптимальная нагрузка, которой транзистор отдает эту мощность:
U' |
+U” |
|
кtn____ KM |
|
|
Г |
+ Г |
|
'га |
кт |
|
Сопротивление |
|
|
R K' = RH + r, + r2'. |
(5.64) |
Коэффициент полезного действия трансформатора опре деляется по формуле
Цтр = |
|
К |
(5.65) |
||
R'u +г, + /■,' |
|||||
|
|
|
|||
Мощность, отдаваемая нагрузке: |
|
||||
— |
D |
„ |
----- ^кт^кт |
(5.66) |
|
Рн — |
1 макс Т|тр —Т|тр ----- ------ |
||||
Мощность, потребляемая источником питания, не зави |
|||||
сит от величины сигнала и равна |
|
|
|||
|
Ро = E KI OK. |
(5.67) |
|||
Выделяемая на коллекторе мощность |
|
||||
|
Рк = Р о - Р |
(5.68) |
|||
и максимальна в режиме покоя, так как Р = 0. |
Рк. макс, ТО- |
||||
Для надежной работы необходимо, чтобы Ро < |
|||||
ГДа получим, ЧТО |
|
Т|j Рк. макс, |
|
||
Рмакс < |
(5.69) |
||||
Р макс < 1 / 8 |
С/к.макс /к. макс. |
(5.70) |
Это последнее соотношение используется при выборе транзистора.
В схеме с ОЭ требуется меньшая мощность раскачки нуж ной выходной мощности. Коэффициент усиления по мощно сти равен:
К Р = ^ ~ . |
(5.71) |
Искажения в выходном каскаде класса А были огово рены ранее.
Двухтактные выходные каскады в режиме А . Однотакт ные выходные каскады имеют малый КПД и применяются лишь в тех случаях, когда необходимо получить небольшую мощность. Используя в схеме усилителя более мощные тран-
зисторы, можно повысить отдаваемую мощность. Однако при этом КПД не повышается. Кроме того, наличие большого подмагничивающего тока в первичной обмотке трансформа тора уменьшает индуктивность трансформатора Li и тем са мым ухудшает передачу низких частот. Лучшие показатели можно получить от выходного каскада, построенного по двухтактной схеме. Рассмотрим работу 2-тактного выходного каскада в режиме А (рис. 5.29).
Сопротивление R3 служит для стабилизации режима и компенсации различий в коэффициентах передачи тока тран зисторов. Для исключения возможной разбалансировки токов покоя при изменениях температуры фазные температурные коэффициенты напряжения U36 транзисторов) и старения в эмитгерную цепь каждого транзистора иногда включают не большие (порядка 0,1-0,2 R3) сопротивления R3' и R 3” (пун ктир).
На вход двухтактного каскада подается симметричное относительно земли напряжение или от фазоинверсного кас када (см. рис 5.29), или от трансформатора со средней точкой (рис. 5.30). При таком включении входного трансформатора
приложенные между базами и эмиттерами транзисторов на пряжения сдвинуты взаимно по фазе на 180° (рис. 5.31, а).
Токи коллектора каждого транзистора к\ и /к2 противопо ложны по фазе базовым напряжениям, и поэтому сдвиг фаз между ними так же равен 180° (рис. 5.31, б).
/к1=/ок +1\ sin cof,
кг = IOK- h sin tot. |
(5.72) |
Потребленный коллектором от источника питания ток равен сумме токов, не содержит переменной составляющей первой гармоники и равен удвоенному значению тока покоя
коллектора (рис. 5.31, в). |
|
/к1 + /к2 = 2/ок. |
(5.73) |
Через первичную обмотку выходного трансформатора коллекторные токи первого и второго транзисторов протека ют в разных направлениях. Поэтому магнитный поток в сер дечнике и ток вторичной обмотки (ток нагрузки) пропорцио нальны разности (рис. 5.31, г)
/, = к\ - кг = 2/i sin соt. |
(5.74) |
Общая мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку, в два раза превышает мощность, отдаваемую транзистором