Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебно-методическое пособие
.pdf
7. ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
С БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВЫХОДОМ
(РАБОТА № 3)
Цель работы: изучить особенности схемного решения двухтактно-
го бестрансформаторного каскада; исследовать его свойства при изменении параметров элементов схемы; исследовать влияние обратной
связи на параметры и характеристики каскада.
7.1. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
Упрощенная принципиальная схема лабораторной установки пока-
зана на рис. 7.1.
Усилитель состоит из двухтактного выходного каскада на составных комплементарных транзисторах VT1, VT4 и VT2 (или VT3), VT5 и
предварительного каскада на операционном усилителе (ОУ) DA1. Для
получения заданного коэффициента усиления ОУ охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Цепь ОС
образована резисторами R1 и R2. Напряжение, подаваемое
R4, служит для балансировки схемы.
Транзисторы VT1, VT4 в верхнем плече двухтактной схемы и транзисторы VT2 (или VT3) и VT5 в нижнем подобраны таким образом,
что имеют попарно практически идентичные параметры. Транзисторы,
имеющие одинаковые параметры, но разный тип проводимости, называются комплементарными. Некомплементарность транзисторов приводит к асимметрии плеч выходного каскада и к
тельных нелинейных искажений.
. В замкнутом положении переключателя SA1 напряжение с вы-
хода усилителя подается на его вход, т. е. возникает общая параллельная ООС по напряжению как на постоянном, так и на переменном токе.
появлению дополни-
на резистор
51
52
«Усилитель мощности с бестрансформаторным выходом»
Рис. 7.1. Принципиальная схема лабораторного макета № 3
Одной из целей лабораторной работы является исследование влияния этой ОС на выходное сопротивление усилителя и на вносимые им
нелинейные искажения.
Транзисторы в выходном каскаде включены по схеме с общим коллектором и работают в режиме
В. Для обеспечения небольшого напря-
жения смещения в этом режиме и для его стабилизации используются
терморезисторы R9, R10 и резисторы R6, R7. Переключатель SA2 в
замкнутом состоянии закорачивает цепь подачи смещения на транзисторы выходного каскада, что приводит к появлению искажений типа
«ступеньки».
Переключатель SA4 изменяет способ подключения нагрузки к выходной цепи усилителя: в замкнутом положении
– без разделительного
конденсатора; в разомкнутом – с разделительным конденсатором.
Переключатель SA5 позволяет коммутировать величину сопротивления нагрузки.
Для подключения измерительных приборов и генератора сигналов
предусмотрены гнезда Х1–Х4.
7.2. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Нелинейные искажения – появление в спектре выходного сигнала
составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Это происходит,
когда уровень выходного напряжения нелинейно зависит от входного.
Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом
нелинейных искажений или коэффициентом гармоник.
Коэффициент гармоник – величина, выражающая степень нели-
нейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению
среднеквадратического напряжения суммы высших гармоник сигнала
к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства
синусоидального сигнала. Коэффициент гармоник выражается в процентах.
Угол отсечки – половина части периода, в течение которого проте-
кает ток через усилительный элемент (УЭ).
Режим В – режим работы УЭ, при котором угол отсечки равен 90°.
Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффек-
тивности системы (устройства, машины) в отношении преобразования
или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному
53
системой. В усилителях КПД – это отношение мощности первой гар-
f
f
моники выходного сигнала к мощности, потребляемой от источника
питания выходной цепью усилительного элемента.
Динамическая характеристика (ДХ) – зависимость между мгно-
венными значениями токов и напряжений усилительного элемента при
конечном значении сопротивлений, подключенных к его выводам.
Выходной каскад усилителя непосредственно или через согласующую цепь связан с нагрузкой и в зависимости от характера нагрузки
(реактивная, комплексная, активная) призван обеспечить в ней заданные напряжения, ток или мощность
.
Для оценки качественных показателей выходных каскадов, как
правило, применяют набор следующих параметров: диапазон воспроизводимых частот; чувствительность; коэффициент гармоник; коэффициент полезного действия; входное и выходное сопротивление;
номинальное выходное напряжение, номинальная выходная мощность.
При работе транзистора в выходном каскаде используется большая часть поля его вольт-амперных характеристик. Из-
за этого возникают заметные нелинейные искажения, уровень которых зависит
от амплитуды входного сигнала и характеризуется коэффициентом
гармоник
U
mn
2
n
k
г
U
1
m
U – амплитуда n-й гармоники выходного сигнала.
где
mn
При измерениях в качестве испытательного (входного) сигнала ис-
пользуется гармонический сигнал, частота
которого лежит в пре-
вх
делах диапазона воспроизводимых усилителем частот (для звуковых
усилителей
= 1 кГц).
вх
Другим важным показателем выходных каскадов является коэффи-
циент полезного действия
P
, (7.1)
P
0
54
где
PUI
mm
11
2
(7.2)
мощность первой гармоники выходного сигнала (полезная мощ-
,
ность);
UI
11
mm
– амплитуды первых гармоник выходного напряже-
ния и выходного тока;
PUI
0 кэ к.ср
(7.3)
– мощность, потребляемая от источника питания коллекторной цепью
транзистора.
С учетом (7.1), (7.2) и (7.3) получим
2,
(7.4)
i
где
UU
1 кэm
(7.5)
– коэффициент использования выходного напряжения;
II
(7.6)
1 к.срim
– коэффициент использования выходного тока.
Значения
и
зависят от амплитуды входного (выходного) сиг-
i
нала и режима работы транзистора.
Основной режим работы двухтактных выходных каскадов
В.
жим
ре-
Режимом В называют такой режим, при котором ток в выходной
цепи УЭ существует в течение половины периода сигнала, т. е. угол
отсечки
/2 (рис. 7.2). Чтобы осуществить такой режим, необхо-
димо рабочую точку (точку покоя) выбрать на нижнем конце идеализированной (спрямленной) ДХ, для чего во входную цепь подают небольшое напряжение смещения.
Угол, соответствующий моменту прекращения выходного тока
и есть угол отсечки
В случае идеальной ДХ в режиме
.
В ток покоя равен нулю
i ,
к
(0)I
к
В действительности из-за нижнего изгиба ДХ (рис. 7.2) ток покоя не
равен нулю, а составляет 3…15 % от максимального значения
i ,
max
.
55
а угол отсечки немного превышает /2. Такой режим называют
t
2
t
обычно режимом
между режимом
АВ, подчеркивая этим его промежуточное положение
А и идеальным режимом В.
i
iк
IК
к
i
max
U
/2
3
2
2
Рис. 7.2. Диаграмма работы транзистора в режиме В
БЭ
U
БЭm
u
БЭ
uБ=UБcost
Для выяснения свойств идеального режима В (/2)
3
2
2
разложим
выходные импульсы тока в ряд Фурье:
iII tI tI t ,
вых ср 12 4
Ii – среднее значение (постоянная составляющая) вы-
где
ср max
ходного тока;
Ii
m
монические составляющие этого тока. Как и в режиме
В описывается выражением (7.4), только коэффициент использо-
жиме
вания выходного тока
cos()cos(2)cos(4)...
mm m
2,
1max
im
II
. В апериодических усилите-
0, 212 ,
Ii
2max
m
1cp
Ii
4max
m
2
0,0424
– гар-
А, КПД в ре-
лях предельное значение коэффициента использования выходного
напряжения
не превышает единицы. Поэтому для режима В макси-
мальный КПД
4 0,785.
max
56
Таким образом, максимальный КПД в режиме B в 1,57 раза превы-
шает аналогичный показатель в режиме
ния усилительного элемента по
току. В этом заключается достоинство
А за счет лучшего использова-
данного режима, которое и объясняет его широкое применение в выходных каскадах усилителей мощности, где вопросы экономичности
работы выходят на первый план.
К недостаткам режима
В следует отнести высокий уровень нели-
нейных искажений. Действительно, если учесть только вторую и четвертую высшие гармоники, то
kIII
г 241
22
mmm
100 %
Поэтому режим В нельзя применять в обычных однотактных апериодических усилителях. В этом случае выходные каскады нужно строить
по двухтактным схемам, которые компенсируют четные гармоники.
На рис. 7.3 и 7.4 показаны соответственно схема и временные диаграммы работы двухтактного каскада в идеальном режиме В (угол отсечки /2 ).
/2E
п
u
вх1
u
вх2
Рис. 7.3. Схема двухтактного каскада
Чтобы ток в нагрузке
t
t
iii i
был гармоническим, транзи-
нрк1 к2
i
к1
R
н
i
к2
/2E
п
сторы VT1 и VT2 должны быть идентичными по своим характеристикам и параметрам. Кроме того, входные напряжения
u и
вх1
u
вх2
должны иметь одинаковые амплитуды и противоположные фазы, т. е.
57
при таком схемном решении двухтактного каскада ему должен пред-
I
I
шествовать так называемый фазоинверсный каскад, который и вырабатывал бы эти напряжения. На практике чаще всего обходятся без фазоинверсного каскада, выбирая транзисторы VT1, VT2 с разным характером проводимости (p–n–p и n–p–n).
i
к1
кср
0
0
i
р
0
i
к2
3
2
4
t
i
к max
t
рm
t
Рис. 7.4. Временные диаграммы работы
двухтактного каскада в режиме B
Естественно, что они должны иметь одинаковые параметры и характеристики. Такие транзисторы называются комплементарными.
В этом случае для возбуждения двухтактного каскада применяют
обычный однотактный каскад. Транзистор n–p–n-структуры будет открываться при положительной полуволне входного сигнала, а p–n–p-
структуры – при отрицательной, т. е. плечи двухтактной схемы будут
работать поочередно, формируя гармонический сигнал
в нагрузке
(компенсируя четные гармоники.
Оценим, при каком уровне входного (выходного) сигнала мощность, рассеиваемая на выходном электроде усилительного элемента
P в режиме В, будет максимальной. Вне зависимости от режима ра-
к
боты усилительного элемента и схемного решения усилителя
58
PPP
R
к 0
. В режиме В потребляемая мощность зависит от уровня
сигнала (7.3), так как от этого уровня зависит величина среднего значения тока
I , потребляемого от источника питания. Значит, суще-
к.ср
ствует такой уровень входного (выходного) сигнала, при котором
мощность, рассеиваемая на коллекторе
P , будет максимальной.
к
Найдем этот уровень на примере двухтактного каскада. Мощность,
рассеиваемая на коллекторе одного транзистора двухтактной схемы:
PP
0
P
к
,
2
где
iiR
22,
PIU UP
0 к.ср кэ кэ
кmax кmax н
2
2
– соответственно мощность, потребляемая от источника питания и от-
даваемая в нагрузку двухтактным каскадом (обоими транзисторами).
Значит,
i
кmax
PUiR
ккэкmax н
1
2
.
4
Исследуем эту функцию на экстремум.
P
iR
кmax н
UU
12
к
кэ кэ
iR i
кmax нкmax,кр
2
0.
Таким образом, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, будет максимальной не в отсутствие сигнала (как в режиме А) и не
при максимальном сигнале, а при сигнале, уровень которого будет
определяться сопротивлением нагрузки каскада
напряжением на коллекторе транзистора
U
кэ
(рис. 7.5).
и постоянным
н
При этом в критической точке коэффициент использования выходного напряжения (7.5) будет
U
к 1,кр
кр
m
UURU
кэ кэ н кэ
iR
кmax,кр н
59
2
UR
кэ н
2
,
P
P
Рис. 7.5. Зависимость мощностей транзистора от коэф-
а КПД (7.4):
/2P
0
/2
~
кр
фициента использования выходного напряжения
P
к max
12
кр кр
222
Значит, при максимальном КПД в режиме
i
0,5.
В 78,5 % в критической
точке КПД составляет всего 50 %, т. е. только половина мощности, потребляемой от источника питания, преобразуется в полезную мощность, а другая половина рассеивается на коллекторе и выделяется в
виде тепловой энергии, нагревая транзистор.
7.3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать исходную схему усилителя: ООС отсутствует (SA1 в
разомкнутом положении), смещение на транзисторы подано (переключатель SA2 разомкнут), переключатель SA4 разомкнут, сопротивление
нагрузки 17,2 Ом.
2. Подключить к схеме цифровой измерительный стенд.
3. Включить питание ПК и запустить программу «Мультимер». На
дисплее ПК появится главное окно виртуального измерительного
стенда с набором доступных измерительных приборов.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]