electronics
.pdf
51
Усилители мощности (УМ)
Усилители мощности – это усилители, которые работают на низкоомную нагрузку.
Требование - RH≈RВЫХ.УСИЛ ОЭ, ОБ - RВЫХ≈кОМ
ОК- RВЫХ≈10÷100ОМ
Необходимо согласование для этого используют понижающий трансформатор.
U1 |
U2 |
|
|
|
U1>U2 I1<I2 |
R'H = |
R H |
- сопротивление нагрузки, |
|||
R |
Н P1=P2 |
|
|
|
n 2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
приведенное к первичной цепи |
|||||
|
|
|
|
|
n = |
W1 |
|
W1>W2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
Однотактный УМ |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
+EК |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
ТР1 |
|
|
|
|
|
|
|
CР |
R1 |
|
|
|
|
RН |
|
n>1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R H |
- ? |
|
|
|
|
|
|
VT1 |
|
|
|
n = R'H |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R’H - ? |
RH – задано |
|
|
R2 |
|
|
RЭ |
CЭ |
|
|
|
|
||
Расчет n и R’H выполняется графическим способом. |
|
|
|||||||||
Для VT дана: PKДОП, UKДОП, IKДОП |
|
|
|
|
|
||||||
I K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I K ДОП |
P |
КДОП |
|
линия статической нагрузки |
|||||||
|
|
|
|||||||||
I K МАХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I K A |
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α |
|
|
|
|
|
U К |
|
|
|
|
|
|
U КА E |
α 1 |
|
|
|
||||
|
|
|
т. Х.Х. U |
КДОП |
|
|
|||||
|
U КМАХ |
|
|
K |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1) Строим кривую предельной мощности |
|
UK |
∞ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= PK.ДОП |
|||
Ограничиваем U |
|
, I |
KДОП |
U |
K |
IK |
0 1 … IKДОП |
||||
|
|
KДОП |
|
|
|
IK |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
52 |
||||
2) |
Выбираем |
ЕК ≤ |
|
UК.ДОП |
|
||||
2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Строим две нагрузочных прямых : линия статической нагрузки (ЛЧХ) |
|||||||||
3) |
Нагрузочная прямая по постоянному току: из т. Х.Х. (ЕК) |
||||||||
|
tgα = |
1 |
|
r1- сопротивление первичной нагрузки |
|||||
|
r |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4) |
Определяем |
IK |
= |
IК.ДОП |
. Получаем т. А – это пересечение ЛЧХ и IKA UKA. |
||||
|
|||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||
Через т. А проводим нагрузочную прямую по переменному току, так чтобы не попасть
PKДОП, UKДОП, IKДОП. Тогда R'H = UKM = tgα1
IKM
5) Находим nопт – согласование RH, R’H Недостаток низкий КПД<20÷30%
Двухтактный УМ
|
ТР1 |
|
VT |
1 |
|
IK1 |
ТР |
2 |
|
|
|
|
U'ВХ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
UВХ |
|
|
+ E |
|
- |
|
R |
|
ТР1- входной транзистор |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
U''ВХ |
|
|
K |
|
|
|
Н |
ТР2-выходной транзистор |
|
|
VT2 |
|
IK2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
U В Х |
U 'В Х |
U ''В Х |
|
I K 1
I K 2
I H
t |
|
|
|
При приходе положительной полувол- |
|
|
ны VT1 открывается и течет ток IK1, |
|
|
при приходе отрицательной полуволны |
|
t |
открывается VT2 и течет IK2. |
|
В нагрузке протекает ток в каждый по- |
||
|
лупериод UВХ (Класс В). |
|
|
Высокий КПД ≈80% |
|
t |
Недостаток: есть нелинейные искаже- |
|
ния (Класс В) , наличие трансформато- |
||
|
||
|
ров. |
t
53
Бестрансформаторные двухтактные УМ
UВХ |
VT1 |
IЭ1 |
|
RH |
|
|
VT2 |
IЭ2 |
U В Х |
|
|
I K 1
I K 2
+ |
Еп |
Два VT-комплиментарная пара (свойства |
- |
|
одинаковы, проводимость разная). |
+ |
|
Высокий КПД. |
Еп |
Недостаток: нужны два источника питания. |
|
- |
|
t
Работа схемы: при приходе положительной полуволны открывается VT1, течет ток IЭ1 по цепи +ЕП→VT1→RH→-EП
tпри приходе отрицательной полуволны от-
крывается VT2, течет IЭ2
IH=IЭ1+IЭ2
t
I H
t
Схема с одним источником питания
+ Еп
VT1 IЭ1
+-
CР |
RН |
VT2 |
|
|
IЭ2 |
При приходе положительной полуволны открывается
VT1, течет ток IЭ1 по цепи +ЕП→VT1→СР→RH→-EП СР заряжается
При приходе отрицательной полуволны открывается VT1 закрывается, а VT2 открывается. Теперь СР является источником питания и разряжается по цепи
+СР→VT2→RH→-СР
Плечи симметричны IЭ1=IЭ2. В нагрузке получаем знакопеременный сигнал. СР выбирают из условия обеспечения необходимой мощности в нагрузке.
τ = R H CP >> |
1 |
(СР =тысячи мкФ) |
|
ωH |
|||
|
|
Класс В -нелинейные искажения высокие нужно задавать класс А-В
54
А-В |
IБ1 |
|
|
U'БА |
|
В |
|
I' БА |
|
||
|
|
|
|
UБ2 |
|
U |
Б1 |
|
|
|
I'' БА
U''БA
IБ2
U’’БА=U’БА=UБА напряжение смещения I’БА – ток покоя
Суммарная характеристика почти линейна → искажения минимальны.
Двухтактный УМ на составных VT
|
|
|
+ Еп |
|
R 1 |
|
|
|
|
|
|
V T 1 |
V T 3 |
|
V D 1 |
R Э |
|
|
|
|
R 0 |
|
||
|
|
|
C Р |
|
|
|
|
|
|
V D 2 |
R Э |
|
R 0 |
|
|
|
V T2 |
V T 4 |
R Н |
R 2 |
|
|
||
|
|
|
VT1÷VT4 –два плеча выходного каскада.
VT1,VT3 –верхнее плечо
VT2, VT4 – нижнее плечо
Делитель напряжения: R1-VD1-VD2-R2 Задает Класс А-В – прямое падение на диодах VD1,VD2 обеспечивает не-
большое UСМЕЩ для VT1,VT2
RЭ- обеспечивает минимальный тепловой ток покоя
R0- обеспечивают высокую симметрию плеч (очень малы – Омы) ограничивают IВЫХ – защита от К.З. слабая
55
Усилители постоянного тока (УПТ)
УПТ обеспечивает усиление медленно изменяющихся сигналов от датчиков частотой fГР ≤ 15Гц
К
f
fГР
Связь между каскадами делают непосредственной, при этом возникает две проблемы:
1.На входе есть постоянная составляющая (трудно определить сигнал)
2.Дрейф: возникает при отсутствии входного сигнала, а на выходе есть сигнал (зависит от времени)
|
R1 |
RК1 |
|
RК2 |
R3 |
|
|
R1, R2 задают Класс А для первого |
|
|
|
|
|
каскада |
|||||
|
|
|
VT1 |
UKA1 |
VT2 |
|
U |
|
RЭ1- стабилизирует точку покоя |
|
|
|
|
ВЫХ |
первого каскада, уменьшает дрейф |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
U |
ВХ |
|
|
UБA1 |
|
|
|
нуля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чем ↑RЭ1, тем ↓дрейф нуля К↓ |
|
|
R |
2 |
RЭ1 |
URЭ2 RЭ2 |
R4 |
|
|
RЭ2 – стабилизирует точку покоя |
|
|
|
|
|
VT2, компенсирует постоянную |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
составляющую UK VT1 |
IБ |
UВХ=0 (т. А) |
|
|
|
||
UКА-URЭ2=UБА |
|
|
|
|||
|
U RЭ2=IЭА2R Э2 |
|
|
|
||
|
IЭА=IКА+IБА |
|
|
|
|
|
IБА |
R Э2 = |
URЭ2 |
- компенсирует постоянную составляющую VT1 |
|||
|
IЭА2 |
|||||
|
UБ |
|
|
|
|
|
UБА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+Uвых |
насыщение |
|
R3, R4 (делитель) – компенсирует постоянную |
|
|
||||
|
|
|
||||
составляющую VT2. Делитель рассчитывают |
|
|
четное число |
|||
таким образом, чтобы UR4=UКА2, тогда |
|
|
|
|||
|
|
|
каскадов |
|||
UВЫХ=UК2-UR4 |
низкий коэффициент уси- |
- Uвх |
|
+Uвх |
||
Недостаток: |
|
|||||
ления, большой дрейф нуля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нечетное |
|
|
|
|
|
|
число |
|
|
|
|
|
|
каскадов |
|
|
|
|
|
- Uвых |
|
|
|
|
|
|
Амплитудная характеристика |
|
56
Дифференциальный усилитель
ЕП2- для смещения
+ ЕП1 - RK1=RK2
1) Если действует синфазный сигнал
UВХ1=UВХ2
|
R |
|
R K 2 |
|
IK1 = IK 2 = I0 |
|
|
|
K 1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UK1=UK2 UВЫХ=0 |
|
|
|
|
U ВЫХ |
|
Дифференциальный усилитель не |
|
|
|
|
|
усиливает синфазный сигнал |
||
U ВХ1 |
|
|
I0 |
U ВХ2 |
2) Дифференциальный сигнал |
|
|
|
|
|
UВХ1≠UВХ2 |
|
|
|
|
|
- |
|
UВХ1>UВХ2 |
|
|
|
|
|
IК1>IК2 |
|
|
|
|
|
+ ЕП2 |
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХ.ДИФ=K(UВХ1-UВХ2) |
||
|
|
|
|
|
K = ∆UВЫХ = β |
R К R H = ∞ |
|
|
|
|
|
∆UВХ |
R ВХ |
RВХ=rБ+rЭ(1+β)
Если обеспечить:
1)Полную симметрию плеч RK1=RK2, VT1=VT2 в интегральном исполнении.
2)Стабильный источник тока,
то получим минимальную погрешность.
57
Операционные усилители (ОУ)
Идеальный ОУ: КU=∞ (104 ÷105 ), RВХ=∞ (МОм), RВЫХ=0 (единицы-десятки Ом). Для увеличения КU используют несколько каскадов. Для увеличения RВХ используют диффе-
ренциальный усилитель на составных полевых VT. Для уменьшения RВЫХ используют эммитерный повторитель, усилитель мощности.
Структурная схема ОУ:
UВХ1 |
|
|
|
U |
|
ДУ1 |
ДУ2 |
КС |
УМ |
ВЫХ |
|
|
|
||||
UВХ2 |
|
|
|
|
|
1.ДУ1, ДУ2 –обеспечивают высокий KU
ДУ1 – обеспечивает увеличение RВХ и должен быть высокостабильным
2.КСкаскад согласования (согласует большой RВЫХ ДУ с малым RВХ УМ и убирает постоянную составляющую)
3.УМ – выходной каскад (понижает RВЫХ)
Принципиальная схема ОУ:К140УД1
U
U
|
|
|
R5 |
+ЕП |
|
R1 |
R2 |
|
|
|
|
|
VT7 |
CКОР |
|
|
VT5 VT6 |
RБАЛ |
|
ВХ1 |
VT1 |
VT2 |
R6 |
|
|
RКОР |
|||
|
|
|
R4 |
|
|
|
|
|
|
ВХ2 |
|
R3 |
|
VT9 |
|
|
VT8 |
|
|
|
|
|
UВЫХ |
|
|
VT3 |
|
R8 |
|
|
VT4 |
|
||
|
|
R7 |
|
|
R9
-ЕП
VT1, VT2дифференциальный усилитель 1
VT5, VT6дифференциальный усилитель 2 VT3, VT4генератор стабильного тока
Сигнал поступающий на вход ДУ1 усиливается и поступает на вход ДУ2, с выхода VT6 снимается полный дифференциальный сигнал (R5 нужно для получения падения напряжения).
Два каскада (ДУ1, ДУ2) обеспечивают высокий коэффициент усиления.
Каскад согласования (VT7, VT8) позволяет согласовать выходное сопротивление ДУ2 (R5) с RВХ VT9 (VT9 – эммитерный повторитель).
Каскад согласования убирает постоянную составляющую на входе VT6, транзисторы VT7, VT8 работают как управляемые элементы входного делителя напряжения для VT9.
58
Сигнал с VT6 (переменная составляющая) усиливается в VT7, и подается на VT9, VT8 обеспечивает положительную обратную связь.
Напряжение выхода меняется от +ЕП до -ЕП .
|
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
+ЕП |
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ри |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
н |
а |
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
а |
р |
а |
|
|
|
|
|
ал |
ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ре |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
я х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
л |
ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ид |
|
|
|
|
|
UСМ |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
-ЕП
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
ри |
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
ха |
р |
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UВХ
Каждый ОУ имеет ошибку при UВХ=0 → UВЫХ≠0 (дрейф нуля) для этого необходимо по-
дать на вход UСМЕЩ, такое чтобы UВЫХ=0, либо с помощью RБАЛ задать такой режим работы VT9,
чтобы UВЫХ=0
Для обеспечения стабильности коэффициента усиления операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью. При обратных связях возможно самовозбуждение усилителя, для исключения этого вводят (СКОР, RКОР) при некоторой частоте эта RС цепь шунтирует на землю VT7.
+ЕП
U ВХ1
+ЕП
8
U ВХ2 |
|
|
U ВЫХ |
|
|
|
|
||
|
-ЕП |
-ЕП |
||
|
|
|
||
|
|
Генератор стабильного тока (зеркало тока) |
||
I0 |
IK |
+ ЕП |
VT1≡VT2 |
|
|
||||
|
R H |
R K |
β1=β2 |
|
|
|
|
IБ1=IБ2 |
|
|
|
|
IК1=IК2 |
|
V T3 |
V T 4 |
Ток в цепи нагрузки повторяет ток коллектора |
||
IK = EП = I0 |
||||
|
U БЭ |
|
||
|
|
|
R К |
|
59
Схемы включения ОУ
В зависимости от того, на какой вход подается входной сигнал, различают: 1. Инвертирующая схема включения
|
|
I OC |
ROC |
|
|
|
|
|
RВХ= ∞ => IВХ=0 (обрыв) => |
||
I 1 |
|
|
|
||
R1 |
1 |
|
I1=IOC; |
UВЫХ |
|
UВХ |
|
|
|||
|
U'ВХ I |
|
|
||
|
UВЫХ |
КУСЧ= ∞ = |
UВХ ' => UВХ’→0 |
||
|
|
2 |
|
т.е. т.1 - виртуальная земля |
|
|
R |
|
|
||
|
2 |
|
ϕ1-ϕ2=0 |
|
|
|
U |
|
− U |
|
' |
|
|
− UВЫХ − UВХ ' |
UВХ |
|
UВЫХ |
|
ИНВ(СХЕМЫ) |
|
R OC |
|
I1 = |
ВХ |
ВХ |
IOC = |
= − |
КU |
= − |
||||||||||
|
|
|
R ОС |
R1 |
R OC |
|
R1 |
|||||||||
|
|
R1 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
R2-нужно для симметрии входов, уменьшения дрейфа нуля. На выходе сигнал инверсных входному.
ООС вводится обязательно – для стабильности, т.к. KU, будет ”плавать”.
RВХ=R1 R ВЫХ = |
R ВЫХ.ОС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
КUОО +1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Неинвертирующая схема включения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
R2 |
1 |
|
|
RВХ= ∞ => IВХ=0 |
|
|
||||||
UВХ |
|
|
|
|
|
KУОУ= ∞ |
|
=> ϕ1=ϕ2 |
|
|
|||||
|
|
|
2 |
|
|
U2 |
= |
UВЫХ |
R1 |
|
|
||||
|
|
|
|
ROC |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
R OC |
+ R1 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
U |
|
U2=UВХ |
|
R ОС +1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
ВЫХ |
КU НЕИНВ = |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
R ВЫХ = R ВЫХ.ОС |
|
|
Если R1=0 получим повторитель. |
|||||||||
RВХ=RВХ.ОУ |
R2 –для баланса плеч. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
КОУ +1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.Сумматор (сложение аналогового сигнала) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
UВХ1 R1 |
|
IOC R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
UВХ2 |
R |
2 |
|
OC |
|
I=I1+I2+I3+..+In=IOC |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Rn |
. |
|
|
|
UВХ1 |
+ |
UВХ2 |
+.. + |
UВХn |
= − |
UВЫХ |
|||
UВХn |
|
|
. |
|
|
|
R1 |
|
|
R 2 |
|
|
Rn |
|
R OC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
I |
|
UВЫХ |
Если R1=R2=..=Rn=ROC |
|
|
|||||||
|
|
|
|
тогда, |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
UВЫХ=-(UВХ1+UВХ2+..+UВХn) |
|
|||||||
60
4. Интегрирующий усилитель
|
|
I C |
|
I1=IC (RВХ=∞, IВХ=0) |
||||||
|
R |
C |
|
|||||||
|
|
I1 = |
UВХ |
|
IC |
= −C |
dUВЫХ |
|||
U |
1 |
|
|
R1 |
|
dt |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ВХ |
|
|
|
UВХ |
|
dUВЫХ |
|
|
||
|
I1 |
|
UВЫХ |
= −C |
|
|
||||
|
|
R1 |
|
dt |
|
|
||||
|
|
R |
|
UВЫХ = − |
1 |
|
∫UВХdt |
|||
|
|
2 |
|
|
|
|
R1C |
|
|
|
UВХ
t
UВЫХ
t
5. Дифференцирующий усилитель
IOC ROC
C
UВХ
I C
UВХ
UВЫХ |
t |
|
t |
||
A |
||
2A |
|
Угол наклона определяется τ1=R1С и UВХ
IC = C |
dUВХ |
IOC = − |
UВЫХ |
|
dt |
R OC |
|||
|
|
UВЫХ = −R OC C |
dUВХ |
|
dt |
||
|