Электроника Ч2

81

выделения полезного сигнала в различных устройствах промышленной электроники и радиотехники.

Широкое распространение получили полосовые усилители на ОУ. Схемы таких усилителей включают в свой состав инвертирующий ОУ и цепь ПОС с активным или пассивным полосовым фильтром. Рассмотрим схему полосового усилителя с мостом Вина в цепи ПОС (рис. 22.7, а). В этой схеме ОУ, резисторы R1 и R2 образуют инвертирующий ОУ с коэффи- циентом усиления

Kυос. = − R2 .

R1

Элементы C΄, R΄, C˝, R˝, образует мост Вина. Обычно R′ = R′′ , а

C′ = C′′ , поэтому в расчетных соотношениях будем применять к ним общее обозначение R и С. Рассмотрим свойства моста Вина более подробно.

Схема моста включает два звена. Первое звено состоит из последова- тельно соединенных R и C элементов и имеет сопротивление Z1, причем,

Второе звено состоит их параллельно соединенных таких же R и C

82

элементов. Это звено имеет сопротивление Z2 ,причем,

Коэффициент передачи моста Вина в цепи ПОС определяется выра- жением

После подстановки в (22.6) значений Z1 и Z2 и последующих преобра- зований получим

Если выполнить условие

то фазовый сдвиг будет равен нулю, а |B| = 1/3 (см. сплошные линии рис. 22.7, б). Следовательно, частота, на которой выполняется условие (22.7) оп- ределяется выражением

Таким образом, мост Вина представляет собой пассивный полосовой фильтр. Для сигналов низкой частоты ёмкость C΄ представляет собой боль- шое сопротивление. Сигналы высоких частот беспрепятственно проходят через элементы C΄R΄, а далее – через C˝ на корпус. Значит, на низких и вы- соких частотах коэффициент передачи моста Вина мал. На частоте f0 коэф- фициент передачи моста максимален и равен Вm=0,33.

Рассмотрим работу схемы в целом. На частотах, отличных от f0, ко-

эффициент передачи моста Вина мал и можно считать, что сигнал на пря-

83

мом входе ОУ Uпос 0. В этом случае схема работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, определяемым по (21.19). Для поло- совых усилителей он выбирается достаточно малым, т.е. КU ≤ 2.

На частоте f0 через мост Вина на прямой вход ОУ поступает сигнал ПОС, который совпадает по фазе с сигналом на его выходе и увеличивает коэффициент усиления схемы до К!f >> КU. Чем выше значение КU, тем ýже полоса пропускания усилителя (пунктирная линия рис. 22.4, б).

Рассматриваемая схема может использоваться и как генератор гармонических сигналов. Дело в том, что на частоте f0 выполняется баланс фаз φус.+ φос.=2π. Так как на резонансной частоте цепь обратной связи не вносит фазовых сдвигов, то сигнал на прямом входе ОУ совпадает по фазе с усиливаемым сигналом и складывается с ним синфазно. Выполняется усло- вие баланса фаз.

Баланс амплитуд выполняется при значении R2 /

R1 ≥ 2. Поэтому при соблюдении последнего условия схема рис.22.7, а становится генератором синусоидального напряжения. Цепь источника входного напряжения может быть исключена.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

22.1.В чем состоит суть явления самовозбуждения усилителя?

22.2.Сформулируйте условия самовозбуждения.

22.3.Как обеспечить устойчивую работу усилителя на частотах, близких к fπ?

22.4.Приведите признаки классификации фильтров.

22.5.Почему в диапазоне ОУ пассивные фильтры вытеснены активными?

22.6.Какие частотно зависимые цепи используются для построения фильтров?

22.7.Определите значение ωс и коэффициент передачи ФНЧ КФ0 и КФ(ωс), если в его схеме (рис. 22.4, а) Rа = 1 кОм, Rв = 1,4 кОм, а Св = 0,055·10-6 Ф.

84

22.8. Определите Са и Св ФВЧ по рис. 22.5 с частотой среза 300 Гц и КФ0 = 1, если

Rв = 1,4 кОм.

22.9.Можно ли построить полосовой фильтр первого порядка?

22.10.Определите f0 и КФ0 фильтра Вина с параметрами R = 1 кОм и С = 0,159·10-6

Ф.

ЛЕКЦИЯ 23. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

В процессе анализа схем УНЧ основное внимание уделялось таким параметрам, как Кu; Rвх; Rвх; АЧХ и т.п. Мощность, которую передавали та- кие усилители в нагрузку, не оценивалась, так как в качестве нагрузки пред- полагалось использовать либо последующие каскады усиления, либо уст- ройства, не потребляющие заметной мощности. Например, ОУ 140 УД7 имеет на выходе напряжение до 11,5 В. Минимальное сопротивление на- грузки – 2 кОм, при этом максимальная мощность, передаваемая в нагрузку,

2

составляет PH = Um.вых = 33 10−3 Вт.

2RН

Когда в качестве нагрузки усилительного каскада используются око- нечные устройства (исполнительные механизмы, динамики, маломощные двигатели и т.п.), энергетические показатели каскада становятся первосте- пенными. К таким показателям относятся значения передаваемой мощности и КПД. Исходя из этих показателей осуществляют выбор усилительного элемента, способа его включения и режим работы.

В настоящее время схемы усилителей мощности строятся, как правило, на транзисторах, с ОЭ. Режим работы транзистора линейный – А. Для соз- дания лучших условий передачи мощности сигнала в нагрузку часто в вы- ходную цепь каскада включают трансформатор. В некоторых случаях, ко-

85

гда требуется обеспечить большое значение КПД, применяют двухтакт-

ные схемы. В таких схемах транзисторы работают в режиме с отсечкой

тока.

1.ОДНОТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Типовая схема усилительного каскада мощности приведена на рис. 23.1, а. От резистивного УНЧ на биполярном транзисторе эта схема отлича- ется только тем, что в цепь коллектора вместо резистора включена первичная обмотка трансформатора. Нагрузка каскада включена в цепь вторичной об- мотки трансформатора. Это несколько изменяет подход к расчету усилитель- ного каскада, обеспечению линейного режима усиления и, как следствие, к определению нагрузочной характеристики каскада (рис.23.1, б).

Порядок построения нагрузочной характеристики следующий:

1. Определяем напряжение UКЭП в режиме покоя. Учтем, что сопротив- ление первичной обмотки трансформатора по постоянному току равно ак- тивному сопротивлению провода. Обычно оно составляет несколько Ом. Пренебрегая столь малым сопротивлением, получаем, что в режиме покоя UKЭП=ЕК. (Точка на оси напряжений рис. 23.1, б).

86

2. Определяем ток коллектора IКП в режиме покоя. Для этого через точку UКЭП на оси абсцисс рис. 23.1, б проводим вертикальную прямую – линию нагрузки по постоянному току. На линии отмечаем рабочую точку Т по требуемому значению IКП.

3. Определяем сопротивление первичной обмотки трансформатора по

ϖ1 , ϖ 2 – число витков вторичной и первичной обмоток.

4.Через точку Т под углом α = arctg RH' к оси токов проводим линию нагрузки AB по переменному току.

Работа каскада заключается в следующем. При положительном при-

ращении входного сигнала Iб ток коллектора также увеличивается до IК = β· Iб, увеличивается падение напряжения на первичной обмотке трансфор- матора, а напряжение UКЭ снижается (отрезок ТА, рис. 23.1, б). При отрица- тельном приращении тока базы ток коллектора уменьшается, напряжение UКЭ увеличивается. В этом случае к транзистору прикладывается Э.Д.С. ис- точника ЕК и противо - Э.Д.С. трансформатора. При достаточно большом входном сигнале величина UКЭ может достигать значения 2ЕК. Это необхо- димо учитывать при выборе транзистора.

Оценим основные энергетические характеристики каскада. При сину-

соидальном входном сигнале мощность в нагрузке определяется известным выражением

Учтём, что Um.вых – это приращение напряжения вторичной обмотки трансформатора – U2, причем

U2=n21· U1= n21· UКЭ.

87

Введём обозначение ξ= UКЭ / ЕК. Тогда

Мощность, потребляемая каскадом в режиме покоя Р0, определяется произведением P0=ЕК·IКП. Для получения максимальной амплитуды Um.вых

Следовательно, максимально достижимый КПД каскада в классе А при синусоидальном сигнале не может быть больше 0,5. Реальный КПД составляет 20÷30%.

2. ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Схема двухтактного усилителя мощности приведена на рис. 23.2, а. Схема содержит два транзистора, два трансформатора с выводами от сред- ней точки одной из обмоток, источник питания EK и схему смещения с фик- сацией напряжения на базе – R1, R2.Транзисторы должны иметь одинаковый тип проводимости и равные параметры.

Величина напряжения смещения выбирается такой, чтобы оба транзи-

стора работали с углом отсечки θ ≈ 90° (см. рис. 23.2, б). При отсутствии сигнала через оба транзистора должны протекать равные токи коллектора. Это обеспечивается подбором транзисторов.

88

Принцип работы каскада заключается в следующем. Входной трансфор-

матор Тр1 обеспечивает противофазное управление транзисторами. Когда один транзистор открывается, другой закрывается. Выходной трансформатор Тр2 обеспечивает сложение токов двух транзисторов в первичной обмотке. Вто- ричная обмотка этого трансформатора нагружена на сопротивление нагрузки.

В состоянии покоя Uвх = 0 через первичную обмотку Тр2 протекают равные по величине, но противоположные по направлению токи. Результи- рующий ток обмотки равен нулю. Когда на первичную обмотку Тр1 подаёт- ся сигнал, на базы транзисторов действуют равные по величине, но проти- воположные по знаку управляющие напряжения. При этом один транзистор открывается, а другой закрывается. При смене полярности входного сигнала режимы работы транзисторов меняются на противоположные.

Если входной сигнал синусоидальный U вх (t) = U m sinω t , то ток тран-

зисторов будет представлять полуволны синусоиды, причём, у одного из транзисторов положительной полярности, а другого - отрицательной. При достаточно большом уровне входного сигнала значение тока каждого тран- зистора может изменяться от нуля до максимального значения – Iк.m.

В первичной обмотке трансформатора Тр2 токи складываются так, что результирующий ток близок к синусоидальному. В целях упрощения анали-

89

за мы не учитываем наличие в составе токов коллекторов гармоник, отличие угла отсечки θ от 90°, а также не симметрию схемы.

Оценим энергетические характеристики каскада, полагая, что входной

сигнал синусоидален, а его величина позволяет получать Iк = Iк.m. Тогда энергетические характеристики определяются следующими выражениями:

мощность сигнала, развиваемая в нагрузке

π

то

P0 = 2 EK Imm .

π

Коэффициент полезного действия

η= Pn = π ≈ 0,78 .

P0 4

Это предельное значение КПД. Несмотря на сложность схемы (два трансформатора с выводами от средней точки обмотки, два транзистора), необходимость строгой симметрии, наличие искажений сигнала двухтакт- ные усилители мощности находят широкое применение в практике.

Другой вариант схемы двухтактного усилителя мощности приведён на рис. 23.3. Особенности схемы: исключены трансформаторы, транзисторы Т1 и Т2 включены по схеме с ОК и должны иметь разный тип проводимости (Т1

90

– p-n-p; Т2 – n-p-n). Режим работы транзисторов (режим В) задаётся схемой смещения с фиксацией тока базы.

При положительном полупериоде входного сигнала транзистор Т1 за- крывается, а транзистор Т2 – открывается. Ток через нагрузку протекает сни- зу вверх. Этим током конденсатор С3 заряжается до ЕК.

Во время отрицательного полупериода транзистор Т2 закрывается. Роль источника питания для транзистора Т1 играет конденсатор С3. Ток через на- грузку протекает сверху вниз. Емкость С3 должна быть достаточно большой, чтобы постоянная разряда значительно превосходила период сигнала.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

23.1.Почему схемы усилителей мощности, как правило, строятся на биполярных транзисторах с ОЭ?

23.2.Что дает включение трансформаторов в выходную цепь усилителя мощно-

сти?

23.3.С какой целью транзисторы усилителей мощности переводят в режим работы с отсечкой?

23.4.Приведите последовательность построения нагрузочной характеристики усилителя мощности в классе А.