18. Особенности проектирования и расчета пн и птн

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ - устройство, вырабатывающее напряжение питания заданной величины из др. питающего напряжения (напр., для питания аппаратуры от аккумулятора). Одним из осн. требований, предъявляемых к П. н., является обеспечение максимального кпд.

Преобразование перем. напряжения легко осуществляется с помощью трансформатора, поэтому преобразователи пост. напряжения выполняются, как правило, на основе промежуточного преобразования пост. напряжения в переменное. Мощный генератор перем. напряжения, к-рый питается от источника исходного пост. напряжения, подключается к первичной обмотке трансформатора, а со вторичной обмотки снимается перем. напряжение нужной величины, к-рое затем выпрямляется. Постоянное выходное напряжение выпрямителя при необходимости стабилизируется с помощью стабилизатора, включённого на выходе выпрямителя, или путём управления параметрами перем. напряжения, вырабатываемого генератором

Для получения высокого кпд в П. н. применяются генераторы, работающие в т. н. ключевом режиме и вырабатывающие напряжение прямоуг. Формы

ыходные транзисторы генератора, коммутирующие напряжение на первичной обмотке, переключаются из закрытого состояния, в к-ром ток через транзистор не течёт, в состояние насыщения, в к-ром падение напряжения на транзисторе мало, рассеивая небольшую мощность.

В П. н. высоковольтных источников питания обычно используется эдс самоиндукции, возникающая на индуктивности при резком прерывании тока. Прерывателем тока служит транзистор, работающий в ключевом режиме, индуктивностью является первичная обмотка повышающего трансформатора. Выходное напряжение снимается со вторичной обмотки и выпрямляется. Такие схемы вырабатывают напряжение до неск. десятков кВ и применяются для питания кинескопов, электронно-лучевых трубок и т. п. Ключевой режим работы П. н. обеспечивает кпд порядка 80% и выше.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель

Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную константу).

• (Поскольку является виртуальной землей)

• Третий резистор с сопротивлением, равным (сопротивление параллельно соединенных резисторов R_f и R_in), устанавливаемый (при необходимости) между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения.

Если R_in = 0, то схема реализует собой линейный преобразователь ток-напряжение. Входное сопротивление такой схемы определяется коэффициентом усиления реального ОУ и сопротивлением обратной связи по формуле: , где K_A - коэффициент усиления операционного усилителя. Выходное напряжение получается по формуле:

19. Статические и динамические нагрузочные характеристики аэ и их использование в аналоговой схемотехнике. Режимы а, в, с, d. Основные энергетические показатели и диаграммы мощности режимов.

Усилитель Класс «А»

Для всех рассмотренных ранее усилительных каскадов предполагалось. Что они работают в режиме класса А. Выбор рабочей точки покоя, производится таким образом, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора, а значение располагалось на середине этого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора в режиме класса А рабочая точка ( ) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. Поскольку режим А характерен работой транзисторов на почти линейных участках своих ВАХ, то УМ в этом режиме будет иметь минимальные НИ (обычно ).

При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии, следовательно, угол отсечки (половина времени за период, в течение которого транзистор открыт) . Потребление мощности источника питания происходит в любой момент, поэтому каскады, работающие в режиме класса А, характеризуются невысоким КПД (в идеале - 50%, реально - (20-35%). Режим усиления класса А в УМ применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные НИ, а мощность и КПД не имеют решающего значения. • Преимущества класса А – наиболее линейное усиление сигнала по сравнению с остальными типами усилителей. Звучание класса А отличается замечательной микродинамикой. Один транзистор усиливает как положительную, так и отрицательную полуволну сигнала Нет искажений в момент перехода сигнала через ноль

Усилитель Класс «В»

Более мощные варианты выходных каскадов работают в режиме класса В, характеризующегося Рабочая точка транзистора выбирается почти в начале линейного участка вольт-амперной характеристики.

В режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания, а открывается только в течение половины периода входного сигнала. Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в УМ класса В значение КПД до 70%. Режим класса В обычно применяется в двухтактных УМ – для усиления положительной и отрицательной полуволн сигнала.. Основной недостаток УМ класса В - большой уровень НИ ( ).Характеризуется умеренной мощностью рассеяния и относительно небольшим энергопотреблением.

Усилитель Класс «АВ» Усилитель класса АВ объединяет в себе достоинства классов А и В. При малом уровне сигнала (примерно до 5-10 Вт) усилитель работает в классе А, затем переключается в класс В. Характеризуется относительно низкими искажениями и энергопотреблением. Класс АВ - наиболее распространенный тип усилителей мощности.

Усилитель Класс «С» В режиме класса С транзистор заперт смещением (рисунок 4.3), , поэтому УМ класса С более экономичны, чем УМ класса В.

Усилитель Класса «D» Класс D вовсе не означает «цифровой» (digital). Входной сигнал действительно конвертируется в двузначное (бинарное) представление аудиосигнала, но на этом сходство и заканчивается. Это замечание является важным, потому что класс D не обеспечивает никаких преимуществ, обычно ассоциируемых с цифровыми технологиями. Аудиосигнал конвертируется в широтно-модулируемые импульсы. В процессе преобразования аналогового сигнала в импульсы и обратно возникают значительные искажения. Основным источником таких искажений является невозможность обеспечить идеально точные интервалы коммутации выходных транзисторов. С целью снижения искажений применяется отрицательная обратная связь. Наиболее подходящими для работы в усилителях класса D являются транзисторы MOSFET.

Режим работы транзистора и усилителя класс A

Большинство усилителей мощности класса «А» работают в однотактном режиме. При этом постоянное напряжение смещения транзистора составляет половину запирающего, а амплитуда сигнала меньше напряжения смещения. Этим обусловлен недостаток усилителей класса "А" - маленькая выходная мощность. В результате такой работы транзисторов, постоянная составляющая протекающего тока, чуть больше амплитуды переменной составляющей, поэтому транзистор всегда открыт и находится в проводящем состоянии. Если на входе сигнала нет, то постоянный ток постоянно протекает и отдаёт большую часть энергии на нагрев (низкий КПД до 20%). Основное преимущество класса "А" - то, что рабочая область транзистора находится на линейном участке вольт - амперной характеристики и искажения усиливаемого сигнала минимальны.

Усилители работающие в двухтактном режиме класса "А" малопригодны для высококачественного звуковоспроизведения сложного сигнала, так как постоянно протекающий повышенный постоянный ток, способствует дополнительному увеличению несимметричности правой и левой полуволны сигнала, это добавляет фазовые искажения и звук теряет разборчивость. Такой характер звука некоторые малоопытные слушатели воспринимают как "ламповую мягкость". К тому же, нагрев двух мощных (комплементарных) звукопроводящих транзисторов увеличивает (в два раза) тепловые - гармонические искажения на низких и инфранизких частотах, что приводит к образованию паразитной частотной модуляции. Отметим, что на сложном сигнале уровень частотной модуляции 0,05% здорово заметен на слух, поэтому класс "А", это не панацея от всех болезней. Но, паразитная частотная модуляция имеет место в других классах и сильно проявляется при повышенной динамической активности звукового сигнала. Поэтому нагрев мощных транзисторов зависит от активности и громкости усиливаемого звукового сигнала, в результате мощный транзистор хаотично, то нагревается, то остывает. Надо признать, что скоростные качества одного и того же транзистора с разной температурой кристалла неодинаковые, а мощных комплементарных пар много более. Комплементарные транзисторы (в классе "А" и "В") имеют разный наклон характеристики передачи, что вызывает устойчивые кроссоверные искажения в этих классах.

В режиме класса «В» амплитуда звукового сигнала меньше или равна напряжению смещения, а напряжение смещения = напряжению запирания транзистора. В этом случае транзистор открывается только во время прихода положительной полуволны сигнала. Такие усилители мощности работают в двухтактном режиме и каждая полуволна сигнала поочерёдно (в режиме отсечки) проходит через свой тип транзистора. Поэтому, наличие "мёртвой" зоны при переходе через ноль приводит к искажениям типа "ступенька". Но, в отличие от класса «А» транзисторы заперты и постоянный ток не течёт если нет сигнала. КПД усилителей мощности этого класса максимум 75%. Недостаток данной схемы, это переходные искажения второго порядка, которые возникают в транзисторах разной проводимости и обусловлены различиями индивидуальных частотно - временных свойств NpN и PnP транзисторов.

Класс «АВ» - частичное объединение двух классов «А» и «В». При этом напряжение запирания транзистора меньше половины напряжения смещения, но амплитуда проходного сигнала не превышает напряжение смещения. В этом случае отрицательная полуволна сигнала частично искажается, а положительная проводится полностью. Но, общие искажение сигнала меньше чем в схеме класса «В» и протекающий ток меньше чем в классе «А». КПД таких усилителей в два раза выше, по сравнению с схемой класса "А" и составляет 50 - 70%. Основное достоинство класса "АВ" - это возможность выбора оптимального соотношения между величиной искажений и КПД, c помощью изменения напряжения смещения в определённых пределах. Отметим, что 99% всей выпускаемой аудио аппаратуры работает в этом классе.

К экономичной категории класса "АВ" относятся усилители с динамическим смещением, которые имеют зависимость от уровня сигнала - Super Class A, Non-switching amp, New Class A и.т.п. Такие усилители мощности ближе расположены к классу "В" и имеют основные недостатки этого класса. Однако, спектр нелинейных искажений этих усилителей сужается до 5 гармоники (что есть хорошо) и уменьшается при малых уровнях сигнала, но реально превзойти класс "А" (по качеству звукопередачи) нет возможностей.

Режим работы транзистора и усилителя класс C, D

Класс «С» - это работа транзисторов при маленькой амплитуде напряжения запирания ниже, чем напряжение смещения. В этом случае амплитуда звукового сигнала меньше, чем напряжение смещения. В таком состоянии транзистор проводит только верхнюю часть положительной полуволны, что сильно искажает сигнал. Поэтому в аудио усилителях, этот класс не применяется. Такой режим работы транзисторов имеет высокий КПД (около 85%).

Класс "D" - это усилители сигнала с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ) и с частотно - импульсной (ЧИМ), в которых звуковой аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а в выходном каскаде происходит обратное преобразование. В первом случае ширина синтезированных импульсных сигналов пропорциональна амплитуде входного (аналог) сигнала, во втором - изменяемой величиной является частота импульсов. В любом варианте при изготовлении усилителя мощности класса "D" получаем высокий коэффициент нелинейных искажений, обусловленный дополнительными процессами конвертации усиливаемого сигнала.

Для того, чтобы усилитель мощности перевести в класс "D" необходимо создать ключевой режим работы выходных транзисторов - замыкать и размыкать их. Для этого, на базу (затвор) транзистора подается ШИМ-сигнал обработанный периодической последовательностью прямоугольных импульсов (прямоугольный сигнал). Этот прямоугольный сигнал проходя через транзистор, отпирает и запирает его. В результате импульсного процесса (на короткое время) создаётся рабочая точка выходных транзисторов. Поэтому ток через транзисторы не потечёт если нет сигнала, это вызывает искажения звука свойственные классу "В". Известно, что многозадачные электронные процессы и скорость переключения транзисторов не проходят мгновенно, это изменяет форму сигнала и увеличивает длину пути его прохождения. К тому же, интермодуляционные искажения звука в усилителях ШИМ имеют прямую зависимость, от частоты модуляции к частоте усиливаемого сигнала, что ограничивает их использование в звуковом диапазоне.

Класс "D" имеет одно неоспоримое преимущество высокий КПД - 90%.

Усилитель для сабвуфера - вот реальное применение класса "D" в аудио.

ШИМ-сигнал применяется для записи формата аудиодисков – SACD. Но на практике всплывают существенные недоработки этого нового формата.

Перевод транзисторов с класса "А" в класс "АВ" увеличивает коэффициент гармонических искажений в четыре раза, в результате коэффициент усиления (без ООС) возрастает на 10-15Дб, что уменьшает частоту среза на две октавы.

Режимы работы усилителя мощности в класса «АВ» и «В» имеют общие недостатки - это переходные искажения первого порядка, которые имеют S - образную форму, на малом уровне сигнала. Чем ниже уровень сигнала, тем больше искажений. Такие усилители всегда хочется «врубить» по громче, чтобы как можно полнее (никогда не получится) почувствовать мощь и динамику музыкального произведения. Также режимам работы транзисторов в классе «АВ» и «В» присущи искажения сигнала, которые простираются до 11 гармоники и вызывают феномен «транзисторного» звука.

20. Графоаналитический расчет двухтактных каскадов в различных режимах. Способы задания рабочей точки (РТ). Нестабилизированные цепи питания БТ: источники дрейфа параметров и эквивалентная схема замещения по дрейфу.

Графоаналитический способ расчёта усилительного каскада ведётся с использованием вольтамперных характеристик транзистора, на котором проектируется усилитель

Расчет приведенного на рис.1.119 выходного двухтактного бестрансформаторного каскада проводится графоаналитическим методом на одно плечо с получением результатов сразу для всего каскада. Расчет начинается с построения нагрузочной прямой по переменному току для одного плеча в режиме "В" (рис.1.121).

Из приведенной на рис.1.121 нагрузочной прямой по переменному току для одного плеча двухтактного бестрансформаторного каскада в режиме "В" находятся все основные расчетные соотношения для области средних частот. Получая эти соотношения, будем сравнивать их с соответствующими соотношениями, полученными ранее при анализе выходного двухтактного трансформаторного каскада в режиме "В".

Дрейфом усилителя называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. К причинам, обусловливающих наличие дрейфа, относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающей дрейф. Чтобы уменьшить дрейф, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижается при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера.

Причины возникновения дрейфа:

1) Температурный дрейф, вызванный температурной нестабильностью режима покоя в каскадах. Наиболее существенный вклад в дрейф усилителя вносят первые каскады, так как их дрейф усиливается последующими каскадами. 2) Старение элементов схемы. С течением времени изменяются как параметры самих транзисторов, так и остальных элементов каскада. 3) Нестабильность источников питания. Колебания напряжения источника питания приводит к колебаниям напряжения покоя и положения рабочей точки.

При возникновении дрейфа нуля происходит смещение амплитудной характеристики усилителя.

СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ДРЕЙФА НУЛЯ

1) Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура. 2) Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима. 3) Использование ООС. 4) Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.

Различают два типа балансных каскадов: а) параллельно-балансные, б) последовательно-балансные.