- •4. Литература
- •15. Разевиг, в.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 / в.Д. Разевиг. – м.: Солон–р, 2000. – 706 с.
- •Теоретический раздел Лекции
- •Тема1. Определение и классификация электронных приборов
- •Тема 2. Физические явления полупроводниковой электроники
- •2.1.3. Температурные свойства p-n-перехода
- •2.1.4. Частотные и импульсные свойства p-n-перехода
- •2.1.5. Переход металлполупроводник
- •Тема 3 Полупроводниковые диоды
- •Тема 4. Биполярные транзисторы
- •2.3. Системы параметров z,y,h.
- •В системе z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника зависят от токов ;
- •В этом случае сами параметры можно записать как:
- •3. Работа биполярного транзистора с нагрузкой
- •Тема 5. Полевые транзисторы
- •5. 1 Инженерные модели полевых транзисторов
- •5.1.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
- •3.2.2. Полевой моп-транзистор с изолированным затвором
- •Тема 6. Переключающие приборы
- •6.2. Триодные тиристоры
- •6.3. Симметричные тиристоры (симисторы)
- •Тема 7. Элементы интегральных микросхем
- •7.1. Пассивные элементы интегральных микросхем
- •Тема 8. Компоненты оптоэлектроники
- •8.2. Характеристики светодиодов
- •8.3. Основные параметры светодиодов
- •8.4. Полупроводниковые приемники излучения
- •8.5. Фоторезисторы
- •8.6. Характеристики фоторезистора
- •5.7. Параметры фоторезистора
- •5.8. Фотодиоды
- •5.9. Характеристики и параметры фотодиода
- •5.10. Фотоэлементы
- •5.11. Фототранзисторы
- •5.12. Основные характеристики и параметры фототранзисторов
- •5.13. Фототиристоры
- •5.14. Оптопары
- •Тема 10 аналоговые устройства
- •Тема 11. Цепи питания транзисторов в режиме покоя
- •Тема12 . Усилительные каскады
- •12.1. Усилительный каскад с общим эмиттером
- •12.2. Усилительный каскад по схеме с общей базой
- •12.3 . Усилительный каскад с общим коллектором
- •12.4. Усилительные каскады на полевых транзисторах
- •12.5. Усилители большой мощности
- •Тема 13. Обратные связи в усилителях и генераторах
- •Тема 14. Усилители постоянного тока
- •14.1. Дифференциальные усилители
- •Тема 15.Операционные усилители
- •15.3. Неинвертирующий усилитель на оу
- •3.4.5. Параметры операционных усилителей
- •Тема 16. Электронные ключи
- •16.1. Электронный ключ на биполярном транзисторе
- •16.3. Быстродействующие ключи на биполярном транзисторе
- •16.4. Ключи на полевых транзисторах
- •Тема 17 цифровые логические устройства
- •Тема 18. Триггеры
- •Тема19. Мультивибраторы
- •8.5.1. Симметричный транзисторный мультивибратор
- •Тема 20. Анализ электронных схем на эвм
- •20.1. Математические модели полупроводниковых диодов
- •20.2. Нелинейная модель полупроводникового диода
- •1.3. Алгоритм определения параметров нелинейной модели диода
- •20.3. Математические модели биполярных транзисторов
- •3.2. Модель Эберса – Молла
- •3.3. Малосигнальная физическая т-образная эквивалентная схема
- •3.5. Модель Гуммеля – Пуна
- •3.6. Частотные свойства бт
12.5. Усилители большой мощности
Усилитель мощности - это усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания. Выходная мощность при этом сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой электронными приборами, а амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с их предельно допустимыми значениями. От усилителей требуется получение большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия, что сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала.
Анализ основных соотношений для усилителя мощности, можно провести с использованием выходных характеристик транзистора, который в общем случае характеризуется предельно допустимыми значениями
мощности, напряжения и тока в выходной цепи, то есть .
На рис.12.3. показана схема простейшего однотактного усилителя мощности и выходные характеристики транзистора с ОЭ, у которого линия допустимой мощности , ограничена допустимыми значениями тока и напряжения.
Область, ограниченная линией Pк.доп, позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают
Рис. 12.5.
Режим класса А. В данном режиме ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирается таким образом, что амплитуда переменной составляющей выходного тока , появившегося в результате действия входного сигнала, не превышает ток покоя, (рис. 12.65).
Рис.12.6.
Это позволяет обеспечить работу транзистора на линейном участке ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (Кг 1 %). Максимальное значение КПД в этом режиме мало, для резистивного усилителя .
Режим класса В. Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение половины периода входного сигнала. Рабочая точка на ВАХ выбирается так, что входной ток покоя равен нулю (рис. 12.7.). При этом входной и выходной токи имеют форму импульса с углом отсечки 90°.
Рис.12.7.
Угол отсечки – половина части периода, выраженная в радианах или градусах, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток.
Из-за нелинейности начального участка ВАХ активного элемента форма входного и выходного токов существенно отличается формы, соответствующей линейному элементу (рис. 12.8.).
Для усиления другой полуволны входного сигнала используют еще один транзистор, такой усилитель называется двухтактным. Режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (Кг 10 %), обусловленными работой на нелинейных начальных участках ВАХ транзистора и высоким КПД. Максимальный КПД имеет величину 78 %.
Режим класса АВ. Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение промежутка времени больше половины периода входного сигнала. Угол отсечки достигает 120150°.
Рис.12.9.
В режиме покоя транзистор приоткрыт, и через него протекает ток, равный 515 % максимального тока при заданном входном сигнале (рис. 5.4). Используется для уменьшения нелинейных искажений присущих режиму класса В. Коэффициент гармоник уменьшается (Кг 3 %), но уменьшается и КПД за счет наличия входного тока покоя IБ0.
Режим класса С – это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через транзистор протекает в течение времени меньшего половины входного сигнала (рис. ). Угол отсечки меньше , а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100 %.
С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой гармоники. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.
Режим класса D – это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100 %.
Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.
В общем случае коэффициент полезного действия усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.
В случае усиления гармонического сигнала:
,(12.28)
где Uм,кэ, Iм,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Ек и постоянной составляющей тока Iк,o, протекающего в коллекторной цепи:
.
Таким образом, КПД равен:
.(12.28)
Где - - коэффициент использования напряжения источника питания;
- отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Очевидно, что максимальный КПД (100%) получается при . При максимальном использовании линейного участка
,(12.28)
следовательно, , и, для идеального усилителя в режиме класса “А” имеем
.(12.28)
В реальных усилителях мощности линейный участок входной и выходной характеристики ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .
Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки.
В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением для переменного тока. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Ек, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при такой идеализации
.
Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Практической реализацией такого способа являются двухтактные схемы усилителей мощности, например, режим В, в котором транзисторы работают с углом отсечки = 900 в противофазе.
Двухтактные схемы включения, работающие в режимах АВ и В позволяют получить высокий КПД при достаточно малых нелинейных искажениях. Последнее объясняется свойством двухтактных схем компенсировать четные гармоники.
Двухтактная схема, работающая в режиме В практически может обеспечить КПД до 75% при коэффициенте нелинейных искажений kГ = (6 10)%. Экономичность этих режимов объясняется резким снижением тока покоя рабочей точки за счет уменьшения угла отсечки. В режиме АВ угол отсечки = (105 110) , в режиме В = (95 100) .
В режиме АВ (рис.5.5.) напряжение смещения образуется на резисторе Rт при прохождении по нему постоянной составляющей коллекторного тока VT1: .
Для обеспечения стабильности положения рабочей точки при изменении температурного режима транзисторов оконечного каскада в качестве Rт применяют терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, причем размещают его на радиаторах этих транзисторов.
.
Рис. 12.10 Рис. 12.11
Лучшие результаты дает использование в качестве элемента термокомпенсации полупроводниковых приборов (рис. 12. 10.). В основе лежит температурная зависимость прямой ветви ВАХ p-n-перехода, которая характеризуется отрицательным температурным коэффициентом (около ‑2,2 мВ/°С для кремниевых приборов) и позволяет в идеальном случае осуществить полную компенсацию температурного дрейфа тока покоя оконечных транзисторов.
Кроме того, малое динамическое сопротивление открытого p-n-перехода обеспечивает одинаковые условия возбуждения транзисторов. Нужную величину Uсм получают, используя последовательное соединение нескольких диодов .