2.6 Контрольні запитання

1. Пояснити результати, одержані під час досліджень. Що відображає коефіцієнт подавлення синфазного сигналу ?

2. З якою метою замість резистора Re підключають транзистор за схемою з СЕ?

3. Відомо, що робота ДК основана на ідентичності його плеч. Чому ця схема найбільш популярна в мікроелектроніці?

4. Чому коефіцієнт підсилення ДК значно більший, ніж у каскадів за схемою з СЕ?

5. Чому треба мати якомога більший внутрішній опір джерела сигналу для ДК?

6. Чому синфазні вхідні сигнали можуть досягати значень Е_К?

7. Для підвищення диференціального вхідного опору використовують складені, або польові транзистори. Чому цей напрямок удосконалення схем ДК не отримав розповсюдження?

3 Розрахунок, проектування та дослідження підсилювачів потужності

3.1 Мета роботи

1. Засвоєння методики розрахунку підсилювачів потужності.

2. Надбання практичного досвіду щодо вибору структури кінцевого каскаду.

3. Дослідження основних якісних показників потужних підсилювачів.

4. Виробка пропозицій та рекомендацій про поліпшення показників якості потужних підсилювачів у перспективних розробках.

3.2 Програма роботи

1. Вивчити самостійно розділ “Каскад підсилення вихідний потужний” посібника [1, с.135…147] або за конспектом лекцій, виділяючи питання підвищення ККД і зменшення втрат потужності у транзисторах, а також те, що основними принципами побудови вихідних каскадів з підвищеним ККД є використання ключового та аналого-дискретного режимів роботи транзисторів.

2. В процесі практичного заняття розрахувати елементи безтранс-форматорної схеми двотактного каскаду підсилення у режимі АВ, оцінити корисну дію НЗЗ.

3. В процесі аналізу результатів роботи оцінити отримані дані з точки зору практичної реалізації та техніко-економічні показники схеми, вказати шляхи підвищення показників.

3.3 Підготовка до виконання роботи

1. Вивчити мету, програму та порядок виконання роботи, загальні методичні вказівки, інструкцію з правил і заходів безпеки під час роботи.

2. Підготувати бланк звіту, в який внести мету роботи, індивідуальне завдання та схеми досліджених підсилювачів потужності.

3. Продумати відповіді на контрольні запитання.

3.4 Загальні відомості про проектування та розрахунок

підсилювачів потужності.

3.4.1 Схемотехніка

Каскад підсилення вихідний потужний призначений для створення потрібного і достатнього рівня потужності у навантаженні - кінцевому пристрої приладу. Для ефективного використання енергетичного ресурсу джерела живлення (ДЖ) максимальні граничні амплітуди змінних вихідних струмів і напруг АЕ потужного каскаду близькі до їх постійних значень у робочих точках або дещо перевищують їх. При цьому істотно проявляється вплив нелінійності вхідних і передаточних ВАХ транзистора чи іншого АЕ та виникають нелінійні спотворення.

Характерною особливістю потужного каскаду є заздалегідь задані параметри навантаження - його характер, значення. Виходячи з потрібної потужності, вибирають тип і режим роботи АЕ, визначають потужність розсіювання, ККД, коефіцієнт гармонік сигналу та енергоємність ДЖ.

Наведемо деякі відомості щодо схемотехніки вихідних каскадів.

Режими роботи транзисторів. Загально прийнятними є режими з позначеннями А, АВ, В, С, Д. Режим класу А - амплітуда сигналу не перевищує постійний струм, вихідний змінний струм існує протягом усього періоду сигналу, ККД _макс=2550%, коефіцієнт гармонік k_г=25%,. Режим В - струм спокою I₀=0, вихідний змінний струм проходить протягом півперіоду сигналу, ККД _макс=78%, коефіцієнт гармонік k_г=43%,. Режим АВ - вихідний змінний струм існує довше півперіоду сигналу відповідно до реальної форми динамічної ВАХ.

Структура вихідних каскадів. Взагалі однотактний вихідний каскад виконують з резисторним, трансформаторним, дросельним колами міжкаскадного зв’язку. Принципова відмінність однотактного потужного каскаду не в схемі, а в режимі роботи транзистора. Вибір транзистора, крім урахування граничної частоти, ґрунтується на допустимих значеннях струмів: колектора I_К.макс, середнього I_ср=I_Кмакс/, напруги U_ке, втрат потужності розсіювання на колекторі Р_{к доп}:

Р_{к доп}  2  _ТР , U_доп2Е_Ж.

Двотактний вихідний каскад містить парне число транзисторів, навантажених на спільний кінцевий пристрій. За способом збудження розрізняють три види: з паралельним керуванням однофазними сигналами, для чого потрібні транзистори різної провідності, які застосовують у безтрансформаторних схемах (рис. 3.1); з паралельним керуванням транзисторами однакової провідності протифазними сигналами, які використовують у трансформаторної схеми; з послідовним керуванням однофазним сигналом, коли провідне плече збуджує інше, ведене, у безтрансформаторної схеми транзистори однакової провідності в режимі А.

Двотактний каскад доцільний тоді, коли _ 2 Вт. Трансформаторний каскад застосовують дуже рідко через недосконалість їх габаритних та електричних характеристик. Для безтрансформаторної схеми транзистори вибирають з критеріїв:

Р_{к доп}  2 (1-_ТР) _ТР , U_{ке доп}  Е_Ж.

На рис.3.1 наведена двотактна схема повторювача. Транзистор VT1 (n-p-n) відкритий при додатній напівхвилі, а VT2 (p-n-p) - при від’ємній.

Вихідний каскад потужного підсилювача (також ОП) найчастіше будують за схемою з паралельним керуванням синфазним сигналом, оскільки при цьому для збудження не потрібний парафазний каскад (рис. 3.2).

Рисунок 3.1 – Схема двотактна емітерного повторювача

Режим АВ задається генератором малої стабілізації напруги на діодах VD1, VD2, через які проходить струм транзистора VT1, визначений резистором R1 (або замість нього генератором стабільного струму – “струмовим дзеркалом”). Збільшення температурної стабільності досягається за допомогою включення у схему емітерних резисторів R3, R4 (в ОП опори дорівнюють 2030 Ом). Захист виходу від КЗ складається з кіл VT2,R3,VT3,R4. Якщо струм через вихідні транзистори зростає, напруга на резисторі R3 або R4 відкриває VT2 або VT3 і вони шунтують вхід VT4 або VT5, тобто відкритий VT2 або VT3 бере на себе надмірний струм КЗ.

Рисунок 3.2 - Схема двотактна підсилювача з паралельним керуванням

Для схем з великими струмами вихідні каскади виконують на складених транзисторах: транзистор Дарлінгтона (рис.3.3а) і транзистор Шиклаї (рис.3.3б).

Обидва транзистора мають значний коефіцієнт підсилення за струмом (більш як 1000). На відміну від схеми Дарлінгтона, яка потребує подвійної вхідної напруги, схема Шиклаї збуджується як одиночний транзистор і не споживає від джерела сигналу додаткову потужність.

Рисунок 3.3 - Складні транзистори:

а) транзистор Дарлінгтона;

б) транзистор Шиклаї

Показники. ККД - відношення корисної потужності сигналу до споживаної потужності =Р_{вих m} / Р_дж=UmIm/(2EI)_дж - залежить від ефективності роботи активного елемента. При великих рівнях сигналу досить інформативним є коефіцієнт використання струму _I=Im/I_дж і напруги _U=Um/E_дж . Потужність втрат Р_втр=Р_дж-Р_вих для вибраного активного елемента не повинна перевищувати допустиме паспортне значення, оскільки саме втрати спричинюють перегрів активного елемента, зниження показників підсилювача. При малому опорі навантаження R_Н зменшується Um та _U, а при великому - Im та _I, тому існує оптимальний опір R_Н, при якому добуток UmIm у виразі ККД - максимальний. Однак при високому ККД в потужних підсилювачах найвідчутніше проявляються нелінійні спотворення, які оцінюють методом п’яти ординат.

Структура потужного підсилювача. Вибір структурної схеми підпорядковується вимогам до його робочих властивостей. Наведемо архітектуру схем з точки зору звукової схемотехніки. Вимоги до якісних показників низькі, К_г близько 3% - вхідний каскад будується на одному транзисторі, проміжний каскад з джерелом постійної напруги зміщення та джерелом струму, вихідний каскад - на комплементарних транзисторах за схемою Дарлінгтона, режим В або АВ з малим струмом спокою, напруга живлення несиметрична, зв’язок з навантаженням - конденсаторний, гранична частота транзисторів біля 1 МГц. Якщо вихідна потужність Р_ менш 20 Вт, то підсилювач виконують на ІС.

Підсилювач середнього класу якості, К_г в межах 0,03%0,3% - вхідний каскад - диференційний з омічним навантаженням в колі колектора, проміжний каскад з транзисторними джерелами струму і джерелом постійної напруги зміщення, вихідний каскад за схемою Дарлінгтона, режим АВ зі збільшеним струмом спокою, напруга джерела живлення симетрична, гранична частота транзисторів більше 3 МГц.

Підсилювач вищого класу якості, К_г не більш 0,01%, частотна смуга підсилення потужності більше 100 кГц, вхідний каскад - диференційний з місцевим ЗЗ або на польовому транзисторі, проміжний каскад з активними джерелами струму навантаження, джерело постійної напруги зміщення регульоване, вихідний каскад зібрано на двох або більш парах комплементарних транзисторах за схемою Дарлінгтона, гранична частота транзисторів більше 10 МГц, вихідний струм більше 10 А.

3.4.2 Розрахунок підсилювача потужності (практичне заняття)

Наведемо приклад розрахунку підсилювача потужності середнього класу якості. Вихідні дані: потужність на виході =3 Вт, опір навантаження R_Н=8 Ом, напруга сигналу на вході U_вх=0,2 В. Передусім вибирається структурна схема . Складемо схему так: вхідний каскад - диференційний на транзисторах VT1 і VT2, проміжний каскад - підсилювач зі СЕ на транзисторі VT3, вихідний каскад - двотактний емітерний повторювач на транзисторах VT4 і VT5, між базами яких включені діоди VD1…VD3 для зміщення каскаду в стан провідності, вихідна напруга надходить в коло зворотного зв’язку R4,R5,C2 (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - Схема підсилювача потужності з НЗЗ

1. Максимальна напруга на виході

2. Максимальній вихідний струм (струм колектора)

3. Максимальний середній струм, який споживається від джерела живлення

4. Напругу живлення визначаємо із співвідношення

де - напруга на колекторі, що відповідає початку лінійної частки характеристик колекторного струму (звичайно= 0,51,0 В).

5. ККД каскаду

.

6. Максимальна потужність, яка розсіюється на транзисторах VT4 і VT5 при активному навантажені та гармонійному сигналу на вході

7. Сумарний тепловий опір транзисторів VT4 і VT5 (включаючи радіатори), якщо прийняти максимальну температуру кристала Тк=150С, а навколишнього середовища Т_С=50С дорівнює

Якщо R_ксна радіатори і транзистори віднести порівно, то цій вимозі відповідатиме транзистор, у якого при Тс=25С потужність, що розсіюється, дорівнює

.

8. За значеннями ізнайдемо транзистори відповідної провідності.

9. Підсилювач класу АВ повинен мати достатньо великий струм спокою у момент переходу сигналу через нуль, тобто тоді протягом деякого інтервалу часу обидва транзистори находитимуться у стані провідності, що забезпечується за допомогою діодів VD1…VD3. У схемі напруга між базами VT4 і VТ5 дорівнює потрійному падінню напруги на діоді Uд. Якщо для вибраних VT4 і VТ5 напруга U_бе =0,6 В, то Uд =0,6 В. Задавши струм спокою I₀=60 mA (вибирається з мінімуму перехідних нелінійних спотворень), розрахуємо опір резисторів R7, R8:

Завдяки напрузі на резисторах температурна зміна напруги U_бе не призводить до швидкого зростання струму, чим обумовлюється доцільність увімкнутих резисторів R7,R8.

10. Вхідний сигнал до двотактного каскаду знімається з колектора проміжного каскаду на VT3, у якому R6 виконує подвійну функцію: він є колекторним резистором і формує струм для зміщення діодів та є резистором, що зміщує транзистор VT5.

Припустимо, що вибраний тип діода для отримання Uд=0,6 В потребує струм І=10 мА. Тоді струм спокою VT3 І₀₃ =10 мА, а

,

і на ньому падає напруга -Еж. Зазначимо, що конструктивно діоди повинні мати тепловий контакт з транзисторами VT4 і VT5.

11. За зазначеннями вихідного струму і мінімального підсилення за струмом ₀ вибраних транзисторів VT4,VT5 (наприклад, ₀=25) розрахуємо струм колектора VT3

12. Струм бази VT3

13. Потужність, яка розсіюється транзистором VT3 у режимі спокою,

у режимі АВ

14. База транзистора VT3 приєднана до колектору VT1, тому резистор R2 треба вибрати таким, щоб струм спокою VT1 створював падіння напруги U_R2=U_Д, тоді струм І_К1 і І_К2 диференційної пари будуть рівні між собою. Виходячи з цього U_R2 = 0,6 В і І_К1 = І_К2  1 мА.

15. Струм І_е=І_е1+І_е2=(-Еж)/R3, тоді І_е=2 мА, а R3=6,8 кОм.

16. Для забезпечення міцності на пробій транзисторів VT1 і VT2 слід вибрати U_{ке доп}=Еж.

17. Коефіцієнт підсилення підсилювача з напруги

18. Якщо R5 = 3,5 кОм, то R4 = R5 (K_U - 1) = 79,2 кОм.

19. Ємність конденсатора зв’язку С2 розраховується виходячи з нижніх граничних частот f_Н, наприклад для 10 Гц:

3.4.3 Аналіз схеми дослідження (лабораторне заняття)

Слід звернути увагу на особливості схеми (рис.3.4), що підлягає дослідженню. Раніше вони були вказані:

- транзистори VT1 і VT2 створюють диференційну пару;

- проміжний каскад складено за схемою з СЕ на VT3;

- вихідний каскад - двотактний повторювач на транзисторах VT4 і VT5;

- коло НЗЗ містить подільник напруги R4,R5 і конденсатор С2, завдяки якому коефіцієнт підсилення схеми за постійним струмом зменшується до одиниці;

- наявність кола ЗЗ гарантує, що вихідна напруга спокою дорівнює потенціалу землі;

- діоди VD1…VD3 зміщують двотактний каскад у стан провідності, при цьому падіння напруги на послідовно увімкнутих резисторах R7,R8 дорівнює падінню на діоді U_Д=U_бе і завдяки цьому температурна зміна напруги U_бе не призводить до швидкого зростання струму ;

- резистор R6 виконує функцію навантаження колектора і формує струм для зміщення діодів та зміщує VT5;

- зміщення транзисторів потрібно для створення режиму класу АВ (струм покою І₀>0), але воно практично марне без ЗЗ.

Наведемо аналіз схеми та визначимо коефіцієнт підсилення, вхідний та вихідний опори підсилювача.

1. Коло ЗЗ розімкнуто у точці В, а правий вивід R4 заземлений. Вхідний опір підсилювача визначається паралельним з’єднанням опору R1=100 кОм (якщо вхідний струм зміщення VT1 дорівнює 4 мкА, то на R1 падає - 0,4 В) і вхідному опору транзистора VT1, який складається з власного емітерного опору r_е плюс опір з боку емітера VT2 з урахуванням кола ЗЗ:

,

якщо r_е = 26 Ом, Іе = 2 мА, R5 = 3,5 кОм,  = 150, то Rвх 11 кОм.

Вихідний опір підсилювача визначимо як схеми емітерного повторювача R_вих=(Rе/+R7). Опір Rе=R6, тому що на вихідні транзистори працює джерело з R6=1,5 кОм (опір колектора VT3 значний). Якщо =100, то R_вих=18 Ом.

Опір навантаження диференційного каскаду визначається паралельним з’єднанням R2 і вхідним опором з боку Rбе транзистора VT3. Тоді

Якщо Rбе = 200 Ом, R2 = 620 Ом, то К_Д  3.

Вихідний опір каскаду VT3 R_вих3 = Rбе /  = 200/100 = 2 Ом. Тоді К_U3=R6/R_вих3 =750. У точці спокою А коефіцієнт підсилення становить К_U=К_ДК_U3= 2250. Зауважимо, що К_U3 залежить від струму Ік₃, тому він змінюється при зміні сигналу.

2. Коло ЗЗ замкнено. ЗЗ послідовний, тому R_вх каскаду збільшується у (1+_ЗЗ). Відношення резисторів дільника R4 і R5 становить В=1/24 на частотах сигналу, тому у петлі ЗЗ _ЗЗ=2250/24=94, тоді R_вхЗЗ= R1||R_вх_ЗЗ= 91 кОм. Можна вважати, що вхідний опір визначається резистором зміщення R1.

Вихідний опір, навпаки, зменшується у (1+_ЗЗ) разів. Тоді R_вихЗЗ=18/91=0,2 Ом. Коефіцієнт підсилення К_UЗЗ= К_U/(1+_ЗЗ)=24.5.

Для ілюстрації стабільності підсилення, обумовленого НЗЗ, далі наведемо значення К_U К_UЗЗ для трьох значень вихідної напруги.

Таблиця 3.1 - Результати розрахунку характеристик підсилювача

Параметри	Коло ЗЗ розімкнуто			Коло ЗЗ замкнено
UВИХ, В	- 10	0	10	- 10	0	10
RВХ, кОм	11	11	11	91	91	91
RВИХ, кОм	18	18	18	0,2	0,2	0,2
Коеф. підсилення	1400	2250	2500	24,3	24,5	24,9