8. Предоконечные и оконечные каскады усиления.

Эти каскады, как правило работают с большим уровнем входного сигнала поэтому обычно используются предельные возможности полностью.

Задача этих каскадов:

Если нагрузка активная, то есть Zн→Rн

То такие каскады называются каскадами мощного усиления.

Если нагрузка комплексная Zн→CнLн

То такие называются- усилителями напряжения.

К ним относятся: ШУ, ИУ.

Основные характеристики: η=Pн/Pо

Метод анализа – графоаналитический (с привлечением динамической ВАХ)

По усредненным параметрам за время.

Основные схемы:

Каскады предоконечные и оконечные

↓ ↓

Однотактные двухтактные

↓ ↓

Трансформаторный бестрансформаторный

↓ ↓ ↓

ОЭ ОК ОБ

Режим работы:

А В(АВ) CDEи др.

8.1. динамические характеристики- показывают зависимость между мгновенными значениями токов и напряжений в усилительном элементе при наличии нагрузочных элементов в цепях усилительного элементов.

Виды динамических характеристик:

-выходные зависимость: i_вых=φ(Uвых) → БТ

-входные: зависимость : i_вх=U(Uвх)

-сквозные: зависимость : : U_вых=φ(eист) → БТ

-прямой передачи: зависимость: : i_вых=φ(iвх)

Различают динамические характеристики для тока постоянного и переменного.

8.1.1 Выходные динамические характеристики.

Обеспечивают напряжение между коллектором и эмиттером.

Uкэ=Eп-Iко(Rк+Rэ)

Iк=(Eп-Uкэ)/R₌ (*)

Для переменного тока

Iк=Iк₀+δк∽(**)

Подставляем (**) в (*) : Uкэ=Eп-Iк₀R₌-iк∽R

R_∽=Rк||Rн

Iк=0 →iк_∽=-Iко

Рабочая точка 0 {Iко,Uкэо}

Uкэ=Eп-IкоR₌+iк_∽R_∽

Угол наклона зависит от напряжения.

8. Каскады мощного усиления.

Каскады, которые работают в режиме, использующем параметры усилительного элемента предельно близкие и предельно допустимые.

Метод анализа этих каскадов -графоаналитический.

R =Rк||Rн

Входная ВАХ

Статическая и динамические совпадают, так как r_k >> R_н

Переход: база-эмиттер – открыт

коллектор- база –закрыт

Выходная ВАХ.

Kн ↑ М↓ ∆↓ τ_у ↓

η↑ Kr↓ - графо-аналитический

Входная ВАХ для БТ с общим эмиттером статическая и динамическая совпадает.

Для того чтобы совокупно оценить линейные и нелинейные характеристики вводятся следующие динамические характеристики:

Проходная характеристика: i_вых= φ(U_вых)

Сквозная характеристика:i_вых=φ(E)

Eu=Uвх+iвх*R

По этой ДХ можно рассчитать коэффициент гармоник методом трех или пяти ординат, для режима А и Б соответственно.

Рассмотрим режим А.

В режиме А точка покоя(рабочая точка) выбирается в середине линейного участка ДХ,

причем максимальное и минимальное значения iне выходят за пределы линейного участка ДХ.

Кубицкий стр176 формулы для определения всех гармонических составляющих : Im,Im2Im3,Imu,Iср

В режиме Анелинейные искажения составляют единицу процента:

Kг ↓ ≈ ед.%

ηa=

I₀>>I_~m;U _~m

U _~m=E_п/2

P₀=E_п I₀

P_~=1/2(I _r~ U _~m)

по умолчанию предположили, что рассматриваем резисторный каскад.

Мощность ,рассеиваемая на коллекторе в режиме А:

P_ка=P₀-P_н≈3..4P_нP_н>>P_~

Большее значение КПД до 50 % можно реализовать в трансформаторном каскаде усиления при работе УЭ в режиме А.

Достоинства режима А:

1) малый коэффициент гармоник;

2)потребляемая мощность не зависит от уровня сигнала.

Недостатки:

1) малый КПД < 50%;

2)трансформатор вносит дополнительные линейные и нелинейные искажения.

3)в интегр. технике не применяется

4)габариты

Режим В и АВ.Для уменьшения потребляемой мощности , режим АВ- техническая реализация режима В, промежуточный режим работы между идеализированным режимом В и режимом А.

Выбирается ток I_oабв точке отрыва идеальной и реальной характеристик.

В режиме В выходной ток протекает в течении половины периода усиливаемого сигнала, в течение другой половины периода он равен нулю.

I_oаб=0.1-0

Θ_в=π/2

Θ_ав>=π/2

Θхарактеризует часть периода в течение которого протекаетIвых (2θ)

2θ=π/2=180

e(t)=E_mcosωt

i₂=Iср+Im₁cosωt+Im₂cos2ωt+Im₃cos4ωt+…+Im_2ncos2nωt

Im₁=0.5Imax

Im₂=0.212*Imax

Im₃=0.042*Imax

Таким образом среднее значение выходного тока зависит от уровня сигнала, при отсутствии усиливаемого сигнала ток от источника питания не потребляется.

O_АВ=I_0max≤0.01-0.1 I_кmax

U(t)=U_maxcosωt

I_к=Iср+I_m1cosωt+I_m2 cos2ωt+…+I_mncosnωt

I_mn=φ(θ)

Iср=I_m/π

I_m=0.5I_max

Im₂=0.212*Imax

Im₃=0.042*Imax

Использовать режим Bв однотактном каскаде можно, когда используется на выходе фильтр, выделяющий полезный сигнал.

η = P(Im₁)/P(Iср)

P_OB=φ(Iср)<P_OA=φ(I_KO) приP_н=const(при одинаковой мощности)

η_B>η_A

наиболее полно преимущества режима В видны в двухтактной схеме.

Двухтактные каскады.

Это каскады содержащие два или две группы усилительных элементов, возбужденных в противофазе и включенные так, что выходные токи в нагрузке складываются.

Каскады могут быть трансформаторные и без трансформаторные.

Не путать двухтактные, однотактные и режимы А и Б.

U_вх1=U_maxcosωt

U_вх2=U_maxcos(ωt+π)

iк₁=Iср₁+I_m1cosωt+I_m2cosωt+…

iк₂=Iср₁- I_m1cosωt+I_m2cosωt+…

Ток каскада в нагрузке пропорционален результирующему магнитному потоку, следовательно, ток в нагрузке будет пропорционален разности токов плеч:

i_н=(iк₁-iк₂)*c=c(2I_m1cosωt+2I_m3cos3ωt+…)-(постоянной составляющей магнитного поля в первичном мотке нет)

В токе нагрузки отсутствуют четные гармоники.

В точке А ток в общих для двух плеч проводах: i_∑=iк₁+iк₂=2Iср+2I_m2

Kг2<Kг1

В точке А отсутствуют токи с частотой сигнала, при этом уменьшается межкаскадная обратная свя

Достоинства: 1. Компенсация четных гармоник

2.восстановление формы сигнала, основной частоты.

Недостатки: наличие трансформатора в выходной цепи приводит к ряду существенных недостатков.

Двухтактные бестрансформаторные каскады

Каскад с дополнительной симметрией (на комплиментарной паре тр.)

Это два транзистора с идентичными парами, но с различным типом проводимостей.

Схема с термокомпенсацией

(двухтактный каскад на комплиментарной паре- VT1иVT2- одинаковые параметры, но разные проводимости)

Выходные характеристики:

В режиме Бплечи работают попеременно (каждую половину периода).

Расчет каждого плеча в режиме Б ведется на полную выходную мощность

В режиме Аведется на половину выходной мощности

Сравним режимы А и В:

А В

Кга < Кгв

≤0.25 < ≈0.87

Pк≈Pн(2..4) >Pк=Pн/2..4

Ведеться ведется

Pплеча=Pн/2Pплеча=Pн

F_2n+1отсутствуют все нечетные гармоники кроме первой

Сравним однотактные и двухтактные каскады:

а=(I_m1/I_m2)-1f_2n нет четных гармоник при полной симметрии схемы а=0.1..0.3

I_m2→ аI_m1

позволяет реализовать режим В(АВ) с высоким КПД

отсутвтвует частота сигнала в общем проводе, что уменьшает обратные связи

Оконечные каскады широкополосных и импульсных усилителей.

Строятся по таким же схемам как каскады предварительного усиления в случае необходимости вводиться высокочастотная и низкочастотная коррекция.

Каскады согласованные с низкоомной нагрузкой(кабель с волновым сопротивлениемW₀50, 75 …→ОК)

Rвых ок=W₀

R_э>>R_{вых ок}

R_{вых ок}=r_э+(r_б+R_u/1+h₂₁э)

r_э=0.026/I_э0

Rвых окW₀ →R_доб=R_доб+R_вых0

Фазоинверсные каскады.

Имеют не симметричный вход и симметричный относительно общего провода выход. Для этого инверсный каскад имеет два выхода, напряжения которых равны по амплитуде, но противоположны по фазе.

Области применения: 1.для перехода, для однотактных каскадов

2.для подключения симметричной нагрузки

а)простейший фазоинверсный каскад:

б)с разделенной нагрузкой:

R_н2(с общим коллектором):r_{вых ок}=r_э,U_вых=-K₁U_вх

R_н1(с общим эмиттером):r_{вых оэ}=r_к , U_вых=-K₁U_вх

r_э<<<r_к →R_доб

в) с эмиттерной связью:

U_RН1=k₁U_вх

U_RН2=k_2Uвх

Существует много других схем, которые мы рассматривать не будем.

Усилитель постоянного тока.

f_н=0f_в=0

Uвых упт =0 приE_U==0

1)Зависимость режима от внешнего сопротивления

Полезным

2)(необходимость компенсировать постоянство напряжения UиUчтобы в отсутствие входного сигнала напряжение упт =0

3)дрейф нуля

Причины :1)изменение температуры

1. Нестабильность напряжения источника питания

Одиночные каскады непригодны.

Выход из этой ситуации: Дифференциальные каскады.

Используют два транзистора.

Упрощенная схема дифференциального каскада с симметричными входом и выходом.

Эта схема не чувствительна к изменению напряжения в источнике питания и к синфазной помехе (так как воздействует на оба плеча одинаково).

Выводы проделать самостоятельно.

Дифференциальный каскад дает основу операционному усилителю.

Операционные усилители.

Это УПТ со специфическими параметрами: 1.коэфициент усиления напряжения очень большой(Кн→∞)

2.Uвх очень большое (Rвх→∞)

3. Uвых очень маленькое (R→0)

с

Диф.

каскад

nкаскад. усил.

Вых.каскад ОК

труктурная схема ОУ

β

Кн

Коос=≈1/β

При коэффициенте усиления →∞

ОУ могут выполнять операции:

Суммирование

вычитание

логарифмирование

потенцирование

дифференцирование

интегрирование

ОУ- активные фильтры.

59