В многокаскадных усилителях последний (выходной или оконечный) каскад является каскадом усиления мощности, выделяемой в полезной нагрузке. При этом выходная мощность каскада УМ должна быть достаточной для приведения в действие нагрузки, подключенной всего выходную цепь. Выходной каскад УМ должен максимально усиливать мощность усиливаемого сигнала при допустимом коэффициенте нелинейных искажений и более высоком КПД.
Различают однотактные или двухтактные выходные каскады УМ, которые могут собираться на мощных усилительных лампах, или на транзисторах, или на газоразрядных тиратронах.
Однотактные каскады усиления мощности. Такие УМ, работающие в режиме класса А, дают возможность отбирать в нагрузку выходную мощность полезного сигнала от долей ватта до 3 ÷ 5 Вт при электрическом КПД до 10 ÷ 30% и минимально допустимых уровнях нелинейных искажений в заданной полосе частот.
При этом оптимальная величина сопротивления нагрузки, включенной непосредственно в выходную цепь мощного каскада, выбирается, исходя из соотношений Rа = Rн = (2÷ 4) * Ri - для триодных схем и Rн = Rа ≈ (0,1 ÷ 0,5) * Ri - для каскадов УМ на. мощном пентоде или лучевом тетроде. При этом схемы таких каскадов УМ и методы их графоаналитического расчета.подобны ранее приведенным схемам усилительных каскадов напряжения (см. рис. 5, 7 и 8). Такие простейшие каскады УМ дают возможность усилить сигнал по мощности с минимальными нелинейными искажениями в широком диапазоне частот.
Существенным недостатком таких бестрансформаторных схем УМ является прохождение через нагрузку не только полезной переменной составляющей анодного тока, но и его постоянной составляющей, значительно уменьшая КПД каскада и требуя более высокого напряжения источника питания Eа . Кроме того, для максимального использования полезной выходной мощности, которую может передать бестрансформаторный оконечный каскад во внешнюю нагрузку, необходимо соблюдать равенство оптимальной величины выходного сопротивления выходной цепи каскада УМ с величиной сопротивления внешней нагрузки Rн , включенной непосредственно в эту цепь, то есть Rвых = Rн .
Однако на практике в большинстве случаев сопротивление нагрузки Rн бывает меньше указанной выше оптимальной величины анодного сопротивления R а . Это объясняется тем, что в качестве внешней нагрузки в выходную цепь каскада УМ зачастую включается обмотка электродинамического громкоговорителя, электромагнитного реле, электродвигателя, электроконтактора, шагового искателя, самописца, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей головки, двухпроводная абонентская или фидерная линия и т. п., которые обладают небольшим сопротивлением (единицы, десятки, сотни Ом, единицы кОм).
Поэтому если R н < R вых к-да , то внешняя нагрузка включается в выходную цепь каскада УМ при помощи выходного трансформатора, согласующего величину Rн с оптимальной величиной выходного сопротивления каскада R вых к-да . При этом сопротивление внешней нагрузки, включенной во вторичную обмотку трансформатора, перерсчитывается в приведенное сопротивление его первичной обмотки, включенной в выходную цепь каскада, по следующей формуле:
где коэффициент трансформации
Более точно величину оптимального значения эквивалентного сопротивления каскада УМ можно определить графическим методом, пользуясь наиболее приемлемой нагрузочной линией на семействе анодных характеристик (рис. 14) выбранной мощной усилительной лампы, то есть отрезками об и оа в сбответствующих единицах измерения:
Таким образом, по переменной составляющей анодного тока оптимальная величина приведенного сопротивления анодной нагрузки Rвых к-да может достигать от единиц до десятков и сотен килоом.
Пользуясь этим же графиком, по треугольнику авс можно определить полезную мощность в нагрузке
Коэффициент полезного действия у мощных трансформаторных каскадов УМ выше, чем у бестрансформаторных, так как ток покоя I а0 течет только через малое активное сопротивление первичной обмотки, минуя Rн . При этом
где Ро = I а0 * E а - полная мощность в режиме класса А, расходуемая от источника питания.
Следует иметь в виду, что у однотактных трансформаторных каскадов УМ более узкая полоса частот, больше габариты, масса, выше стоимость, что отражает их недостатки.
На рис. 15 приведены типовые схемы однотактных трансформаторных каскадов УМ на мощном триоде (а) и лучевом тетроде (б), работающие в режиме класса А с автоматическим смещением рабочей точки.
В этих схемах назначение каждого элемента каскада УМ аналогично рассмотренным ранее схемам усилительных каскадов напряжения с анодной нагрузкой (рис. 6 и 8).
Как видно из графиков на рис. 16, для получения оптимальной величины полезной выходной мощности
необходимо на вход каскада УМ подавать входное напряжение с амплитудой |±Umax | ≈ |-Uc 0 |, снимаемое с предварительного усилительного каскада или с датчика входного сигнала. При этом нагрузочная линия должна проходить почти касательно к кривой допустимой мощности P а доп , не пересекая ее.
Поскольку в режиме класса А рабочая точка находится на середине прямолинейного участка входной динамической характеристики каскада, то этим обеспечивается условие работы с минимальными нелинейными искажениями сигнала.
У триодных каскадов УМ нелинейные искажения меньше, чем у каскадов УМ на пентодах или лучевых тетродах.
Однако в большинстве случаев электрический КПД каскада УМ в режиме класса А практические превышает 10 ÷ 15% для триодных схем и 15 ÷ 30% для мощных пентодных и лучевых тетродных схем.
Нужно иметь в виду, что в каскадах УМ с трансформаторным выходом при малой величине активного сопротивления его первичной обмотки (r 1тр = десятки ÷ сотни Ом) анодное напряжение в режиме покоя лишь немного меньше напряжения источника питания E а , то есть
Для триодных схем,
Для схем на пентодах или лучевых тетродах, имеющих дополнительную цепь экранной сетки.
Поэтому линия нагрузки по постоянному току на семействе статических анодных характеристик (рис. 16) идет очень круто, под большим углом
В динамическом же режиме работы при подаче на вход трансформаторного каскада УМ синусоидального (гармонического) входного сигнала при оптимальном значении приведенной нагрузки R экв наибольшее напряжение Ea макс между выходными электродами увеличивается почти в два раза (а иногда и более) по сравнению с U a0 . Это явление объясняется тем, что при убывании выходного тока к величине E а добавляется противоЭДС индуктивности первичной обмотки трансформатора, задерживающей процесс убывания анодного тока. Поэтому в динамическом режиме работы такого каскада УМ нагрузочная линия по переменной составляющей анодного тока определяется величиной R экв и E а макс > Еа и, проходя через ту нерабочую точку, через которую проходит линия нагрузки по постоянному току, имеет значительно меньший угол наклона (рис. 16)
При расчете максимальной выходной мощности трансформаторного каскада УМ, учитывая КПД трансформатора, определяют по заданной величине необходимой полезной мощности в нагрузке Pполезн необходимую величину выходной мощности каскада, а именно:
Затем выбирают усилительную лампу, у которой допустимая мощность, рассеиваемая анодом, Pа доп ≥ 6Pвых к-да для триода и а Pа доп ≥ 4 Pвых к -да для.пентода или лучевого тетрода. При этом напряжение на аноде в режиме покоя принимают равным Uа0 = (0,7 ÷ 0,8) * Ua доп , а величину тока покоя берут равным
Полезная мощность, выделяемая в нагрузке, будет равна P полезн = η тр * P вых к-да = 0 ,5 η тр * Ima * Uma =0,5 η тр * I 2 ma Rэкв .
Отсюда можно определить коэффициент трансформации
Коэффициент усиления каскада УМ по напряжению
Для учета потерь полезной мощности в выходном трансформаторе принимают величину его КПД в пределах, указанных в табл. 1.
В.Майоров, С.Майоров - Усилительные устройства на лампах, транзисторах и микросхемах
Выходные каскады усилителей Назначение выходных каскадов. Выходной каскад предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при высоком кпд и минимальном уровне нелинейных и частотных искажений. Основными эксплуатационными показателями выходного каскада являются отдаваемая в нагрузку полезная мощность и кпд, качест-венными — уровень нелинейных искажений и полоса пропускания. Нелинейные искажения и кпд каскада зависят от выбора рабочей точки транзистора (электронной лампы). При большой величине сигнала нелинейные искажения в выходных каскадах на транзи-сторах возникают из-за нелинейности входных и выходных характе-ристик. При жестких требованиях к уровню нелинейных искаже-ний выходной каскад используют в режиме А, для получения высо-кого кпд — в режимах АВ и В.
Способы подключения нагрузки. По способу подключения нагруз-ки различают выходные каскады
- с непосредственным включением нагрузки
- резисторные
- трансформаторные
- дроссельные.
При непосредственном включении нагрузки в выходную цепь усилительного элемента без выходного устройства уп-рощается схема усилителя, отсутствуют дополнительные потери, а также нелинейные и частотные искажения, которые вносятся вы-ходным устройством. Недостатками непосредственного включения нагрузки являются прохождение через нагрузку постоянной состав-ляющей тока питания и невысокий кпд схемы (около 20 % в тран-зисторах и 10:% в ламповых схемах усиления).
В резисторных выходных каскадах нагрузка включа в выходную цепь через резисторно-емкостное - выходное уст-ройство. Ток питания через нагрузку не проходит, в схеме отсутству-ют дорогие громоздкие детали; обеспечивается пропускание широ-кой полосы рабочих частот. При включении нагрузки через RС-эле-менты кпд схемы мал (порядка 5 — 6 % на транзисторах и еще меньше в ламповых каскадах), поэтому такое включение целесооб-разно лишь при небольшой выходной мощности.
Трансформаторные и дроссельные выходные каскады позволяю т получить в нагрузке наибольшую неискаженную мощ-ность. При трансформаторном подключении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не проходит через сопротивление на-грузки, поэтому.уменьшается расход потребляемой мощности пи-тания и повышается кпд. Трансформаторный каскад может обес-печить относительно высокий кпд при различных нагрузках.
Схемы выходных каскадов. Выходные каскады могут быть
- однотактными
- двухтактными.
Однотактные каскады используются при относительна малых выходных мощностях, двухтактные — при больших. В однотактных схемах транзисторы работают в режиме А, в двухтактных — в режимах А, АВ или В. Наиболее экономичной является двухтактная схема выходного каскада, работающая в ре-жиме В.
В зависимости от требований к отдаваемой мощности и уровню нелинейных искажений-транзисторы в выходных каскадах могут работать с ОЭ или ОБ. Электронные лампы в выходных каскадах обычно включают с общим катодом, что позволяет осуществить возбуждение сигналов с малой амплитудой. Схема с ОЭ обеспечи-вает наибольшее усиление по мощности, однако в ней возрастают нелинейные искажения, а также неэкономичны по потреблению энергии цепи стабилизации режима. В схеме с ОБ транзисторы мо-гут работать с большим напряжением на коллекторе и иметь срав-нительно линейную переходную характеристику. Схема с ОБ поз-воляет получить меньший коэффициент нелинейных искажений и стабильный режим работы каскада при изменениях температуры, напряжения питания и замене транзистора. В схеме с ОБ велик входной ток сигнала, что требует отдачи большей мощности пред-варительным каскадам и заставляет выполнять их с транформаторным выходом.
Однотактные выходные каскады. Схемы однотактных выходных каскадов с трансформаторным включением нагрузки с ОЭ и ОБ могут быть использованы лишь в режиме А. Для уменьшения коллекторного тока, вызванного изменениями режима, в схемы введены элементы Rэ, Сэ эмиттерной стабилизации. В схеме с ОБ сопротивлением эмиттерной стабилизации является активное сопротивление вторичной обмотки трансформа-тора Tpl; если его недостаточно, в цепь эмиттера дополнительно включают резистор Rэ и шунтируют по переменному току конден-сатором Сэ.
Обычно оптимальное сопротивление нагрузки выходной цепи для транзисторов составляет десятки — сотни омов, для электрон-ных ламп — единицы килоомов, а сопротивление внешней нагрузки усилителя — единицы — десятки омов (например, сопротивление звуковой катушки головки динамического громкоговорителя 3 — 10 Ом). Непосредственное включение низкоомного сопротивления нагрузки в выходную цепь усилительного элемента вызовет умень-шение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, а также рост нелинейных искажений. Трансформаторное включение нагрузки обеспечивает согласование фактической нагрузки усилителя с оп-тимальной нагрузкой выходной цепи усилительного элемента.
Однотактные выходные каскады имеют малый кпд. Использова-ние в схеме более мощных транзисторов позволяет повышать от-даваемую неискаженную мощность. Однако кпд при этом не по-вышается, а наличие большого подмагничивающего тока в первич-ной обмотке трансформатора снижает индуктивность и тем самым ухудшает передачу низших частот. Лучшие показатели можно по-лучить от выходного каскада, выполненного по двухтактной схеме.
Двухтактные выходные каскады . Двухтактные трансформатор-ные усилители (ДТУ) позволяют получить большую выходную мощность полезного сигнала. Выходная мощность каскада опреде-ляется типом усилительных приборов и режимом их работы; кпд зависит только от режима работы.
Схема ДТУ состоит из двух идентичных однотактных усилите-лей (плеч) на транзисторах или электронных лампах» работающих на общую нагрузку. Плечи электрически симметричны (имеют одинаковые параметры усилительных элемен-тов и режимы их питания).
При подаче на входной трансформатор ТрГ усилителя пере-менного синусоидального напряжения снимают с его вторичных полуобмоток равные, но противофазные (сдвинуты на 180°) напряжения UBX1 и UBX2 которые действуют.в Каждом плече между базой и эмиттером транзисторов VI и V2. Токи iK1 и iк2 в коллекторной цепи каждого транзистора в схеме с ОЭ противоположны по фазе управляющим напряжениям на базе (см. рис. 88, а, б), поэтому сдвиг фаз между токами iк1 и шK2 соста-вит также 180°
Через первичную обмотку выходного трансформатора Тр2 кол-лекторные токи транзисторов VI и V2 проходят в противоположи ных направлениях, поэтому магнит-ные потоки, создаваемые ими в сер-дечнике трансформатора, будут иметь результирующий сдвиг по фазе 360° (на 180° они сдвинуты за счет сдвига напряжений на базах и еще на 180° из-за прохождения токов iK1 и t*K2 в противоположных направле-ниях). Переменный магнитный поток в сердечнике и ток вторичной обмот-ки Тр2 (ток нагрузки) пропорцио-нальны разности токов: Ф=KПр(iк1 — ikz) = Дпр(Iок1+Iк1т Sin wt —> Iок2 +Iк2т sin wt), где Kпр — коэффици-ент пропорциональности. При идентичности плеч постоян-ные составляющие коллекторного то-ка равны Iок1=Iок2. Эти токи прохо-дят по первичной обмотке выходного трансформатора Тр2 в противополож-ных направлениях, поэтому намагни-чивающие силы этих токов взаимно компенсируются вследствие чего вы-ходной трансформатор работает без постоянного подмагничивания.
Поскольку Iк1т=Iк2т=Iкт, переменный магнитный поток Ф= Кпр(1к1т Sin wt + Iк2т sin wt) = 2KПрIкт sin wt.
Во вторичной обмотке выходного трансформатора под действи-ем этого потока будет индуктироваться эдс, пропорциональная удвоенной амплитуде переменного коллекторного тока. В резуль-тате мощность, отдаваемая двухтактным усилителем, будет вдвое больше мощности, отдаваемой транзистором каждого плеча каскада.
В Двухтактной схеме Компенсируются четные гармоники усили-ваемого тока. Гармоники совпадают по фазе, но проходят в-проти-воположных направлениях по полуобмоткам трансформатора Тр2$ вследствие чего компенсируются их магнитные потоки и уменьша-ются нелинейные искажения усилителя. Уровень нелинейных иска-жений возрастает при несимметрии схемы (неидентичности пара-метров транзисторов или ламп в плечах схемы). Двухтактные выходные каскады допускают использование ре-жимов А, АВ и В. Наиболее часто они работают в режиме В, при котором рабочая точка выбирается в области отсечки коллекторного токаВ исходном состоянии в этом режиме тран-зисторы закрыты. При подаче даже слабого сигнала один из тран-зисторов открывается. Смена состояний транзисторов будет проис-ходить через половину периода усиливаемых колебаний.
Графики физических процессов в ДТУ, работающем в режиме В, Для более эффективного использования транзисторов выбирают напряжения UKm=EK, Iкт=Iк.макс, т. е. на-пряжение питания и амплитуду выходного тока ограничивают зна-чениями Eк где Iкт = Iк.макс — Iк.мин; Uкт = Eк — (Uк.мин+АEк). Мощность, потребляемая от источника питания обоими тран-зисторами Ро = 2Eк(Iк.ср + Iк.мин), где 1«.ср = 1кт1п — постоянная составляющая полусинусоидального импульса выходного тока с ам-плитудой Iкт. Электрический кпд каскада (без учета потерь в трансформа-торе) здесь Uкт/Eк=Е — коэффициент использования коллекторного ис-точника. При Iкт>пIк.мин кпд nв~пз/4; при полном использовании коллекторного источника (з=1) кпд nв=nмакс=п/4=0,786, т.; е. 78,6%. Мощность, выделяемая на коллекторах обоих транзисторов, 2РК=Р0 — P=PI(nв — Р)=Р(1 — nв)/nв. Чтобы избежать перегрузки транзисторов, мощность, отдаваемая нагрузке двухтактным выход-ным каскадом в режиме В, Рк.макс> (0,25-0,3) РН/nТР. При большом уровне входного сигнала транзисторы большую часть полуперио-да работают в режиме насыщения с верхней отсечкой коллекторного тока, форма выходного сигнала приближается к прямоугольной. При этом кпд может достигать 90 — 95 %, а мощность в нагрузке в 10 — 20 раз превышает мощность рассеивания на коллекторе. К преимуществам двухтактных схем относят: уменьшение не-линейных искажений по сравнению с однотактными схемами при одинаковой полезной мощности; отсутствие подмагничивания сер-дечника выходного трансформатора, что облегчает его конструкцию; меньшую чувствительность к пульсациям питающего напряжения, фону вследствие компенсации магнитных потоков, возбуждаемых противофазными коллекторными токами; снижение влияния на каскады предварительного усиления через источники питания из-за компенсации токов сигнала в питающих проводах, что позволяет упростить развязывающие фильтры. Бестрансформаторные выходные каскады
. Эти каскады выпол-няются на транзисторах с одинаковыми параметрами, но с различ-ным типом проводимости (со структурами р-n-р и n-р-n. При этом отпадает потребность во входном трансформаторе, ин-вертирующем сигнал на входе каскада. В такой схеме из-за различ-ной проводимости транзисторы будут работать поочередно при по-даче на вход переменного напряжения от обычного.усилительного каскада. Небольшое напряжение питания позволяет исключить и выходной трансформатор. Бестрансформаторные каскады просты в исполнении, высоко-стабильны, малогабаритны, однако имеют меньший коэффициент |усиления по мощности, значительные нелинейные искажения, потреб-ляют большую мощность предоконечных каскадов. Нелинейные ис-кажения можно скомпенсировать введением более глубокой ООС. Схемы бестрансформаторных выходных каскадов на составных транзисторах с различным типом проводимости обеспе-чивают более высокую чувствительность (за счет большего усиления по мощности) и меньшие нелинейные искажения. Выходной каскад предназначен для отдачи заданной мощности в нагрузку, сопротивление которой тоже задано. Так как мощность поступает от источника питания усилителя через выходной каскад, его КПД должен быть высоким, иначе устройство будет неэкономичным, а габаритные размеры (поверхность охлаждения) раздутыми для отвода выделяющейся в каскаде теплоты. Если у входных каскадов нелинейность транзистора не оказывает влияния ввиду малости усиливаемых сигналов, то у выходных каскадов диапазон изменения сигнала большой, и нелинейность транзистора необходимо учитывать. С этой целью строят так называемую передаточную характеристику. Передаточная характеристика
– это зависимость выходного тока каскада (тока коллектора или эмиттера) от входного напряжения.
В ней учитываются нелинейность входной и выходной характеристик транзистора и изменения напряжения, падающего на самом транзисторе в зависимости от выходного тока. На семействе статических выходных характеристик транзистора (рис. 2.9, а)
по точкам Е
к и E
к/R
н, отложенным на осях координат, проводят нагрузочную прямую. Точки пересечения этой прямой с характеристиками, соответствующими разным токам базы I
Б1, ..., I
шБi, ..., I
Бn, определят ряд значений коллекторного тока I
К1, ..., I
K1, ..., I
Kn. На входной характеристике транзистора (рис. 2.9, о) находят ряд значений напряжения UБЭ1,..., UБЭi, ..., UБЭn, которые необходимо подать для получения соответствующих базовых токов. Наконец, по парам значений I
Ki и UБЭi строят передаточную характеристику каскада, которая связывает выходной параметр – ток на выходе каскада – с входным – напряжением сигнала на входе. Рис. 2.9.
Построение передаточной характеристики
(в)
по выходной
(а)
и входной
(б)
характеристикам
Возможны различные варианты выбора рабочего участка этой характеристики. Рассмотрим их подробнее. Режим А –
это режим, при котором исходная рабочая точка р
(когда входной сигнал равен нулю) располагается примерно на середине линейного участка характеристики (рис. 2.10). В этом режиме в состоянии покоя через транзистор течет сравнительно большой постоянный ток I
Кp, а амплитуда переменной составляющей тока I
Кmах меньше или равна этому току. При этом форма выходного сигнала повторяет форму входного и нелинейные искажения минимальны. По КПД каскада составляет лишь 20–30%, потому что полезная мощность определяется только переменной составляющей выходного тока, а потребляемая каскадом мощность – суммой переменной I
Кmах и постоянной I
Кр составляющих выходного тока. Рис. 2.10.
Режим
А
работы усилительного каскада
Рис. 2.11.
а –
режим В; б –
режим AВ
Режим В –
это режим, при котором исходная рабочая точка совпадает с началом координат, т.е. в состоянии покоя выходной ток равен нулю (рис. 2.11, а).
При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода и имеет форму импульсов. КПД каскада в этом режиме достигает 60–70%, так как постоянная составляющая I
к коллекторного тока (определяемая по заштрихованной площади как среднее за период значение тока) значительно меньше, чем в режиме А.
Однако форма усиливаемого сигнала слишком искажена. Режим АВ
(рис. 2.11, б) занимает промежуточное положение. Такой режим позволяет уменьшить нелинейные искажения при применении двухтактных выходных каскадов. Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. В однотактных
каскадах только один мощный усилительный транзистор, который работает как в положительный полупериод синусоиды, так и в отрицательный. В двухтактных
каскадах – два мощных транзистора, которые работают по очереди. Схема однотактного выходного каскада аналогична схеме, изображенной на рис. 2.4. Нагрузка включается вместо резистора R
K, а разделительный конденсатор С
р2 отсутствует. Однотактный каскад, работающий в режиме А,
обеспечивает наименьшие нелинейные искажения, но обладает рядом недостатков: низким КПД; невозможностью применения в режимах В
и АВ
из-за больших нелинейных искажений в этих режимах. Из-за этих недостатков однотактные каскады применяют только при относительно небольших мощностях нагрузки. Он позволяет избавиться от недостатков, присущих однотактному каскаду. Такие каскады выполняют на транзисторах, включенных по схемам с общим эмиттером или общим коллектором. Рис. 2.12.
Обычно в предварительных каскадах усилителей обеспечивается необходимое усиление входного сигнала по напряжению, а в выходном каскаде происходит усиление по току, мощности и обеспечивается низкое выходное сопротивление. В этом случае часто в качестве выходного каскада используют двухтактный эмиттерный повторитель (рис. 2.12). Входной сигнал проходит через разделительные конденсаторы и поступает на базы транзисторов VT1 и VT2.
Эти транзисторы разных типов проводимости, т.е. VT1 – типа р-п-р,
a VT2 – типа п-р-п.
Транзистор VT1 управляется положительным напряжением, a VT2
– отрицательным. Положительный полупериод синусоиды входного сигнала усиливается транзистором VT1.
В это время транзистор VT2 закрыт и ток в нагрузку течет по цепи "корпус – R
н –
эмиттер VT1 – коллектор VT1--Е
к".
В отрицательный полупериод транзисторы меняются ролями и работает транзистор VT2,
a VT1 закрыт. Ток в нагрузке течет по цепи "+Е
К – коллектор VT2 – эмиттер VT2 – R
H –
корпус". Чтобы обеспечить положение рабочей точки транзисторов, необходимо установить в состоянии покоя напряжения смещения на базах транзисторов. Для этого используются цепочки "резистор RБ1 – диод VD1"
для транзистора VT1
и "резистор R
m –
диод VD2"
для транзистора VT2. Протекающий в них ток обеспечивает необходимое напряжение смещения на база–эмиттерных переходах транзисторов. Как видно, схему двухтактного эмиттерного повторителя можно разделить на две симметричные части – верхнюю и нижнюю, которые называются плечами каскада. Транзисторы в данном каскаде работают в режиме АВ.
Хотя каждое плечо дает большое искажение синусоидального сигнала (только в одном полупериоде), вместе они формируют результирующий ток, имеющий синусоидальную форму. Режим АВ
в двухтактном эмиттерном повторителе обеспечивает низкие нелинейные искажения и высокий КПД – около 70%. Недостатком двухтактных каскадов является то, что параметры мощных транзисторов, используемых в разных плечах, должны иметь близкие характеристики. 1
Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности. Энергетические показатели этих каскадов являются весьма существенными и при анализе усилителей им уделяется основное внимание. Каскады усиления мощности отличаются большим разнообразием. Они могут выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ, ОЭ (ОИ) или ОК (ОС). По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть трансформаторными и бестрансформаторными. Выходные каскады усилителей предназначены для получения в низкоомной нагрузке требуемой мощности сигнала и поэтому их характеризуют рядом энергетических параметров: выходной мощностью, КПД, коэффициентом усиления по мощности и уровнем нелинейных искажений. Для обеспечения высоких энергетических показателей усилителя мощности, амплитуды выходных напряжений и токов, а также выходная мощность усиленного сигнала должны быть близки к соответствующим предельно допустимым параметрам используемого транзистора. По способу подключения нагрузки выходные каскады делят на трансформаторные и бестрансформаторные. Трансформаторные каскады в современных усилительных устройствах практически не применяются. В бестрансформаторных выходных каскадах используют однотипные и разнотипные транзисторы, которые соединены по двухтактной схеме с непосредственным подключением нагрузки. При этом разнотипные транзисторы имеют идентичные параметры и их называют комплементарными. В настоящее время схемы на однотипных транзисторах применяются крайне редко. Основной недостаток таких схем один транзистор включен по схеме ОЭ, а другой по схеме ОК, что требует искусственного выравнивания коэффициентов усиления плеч. Основным требованием, предъявляемым к каскадам усиления мощности, является обеспечение в заданном нагрузочном сопротивлении возможно большей или заданной величины мощности сигнала. Эта мощность должна быть отдана при допустимом уровне нелинейных и частотных искажений, а также при возможно меньшем потреблении мощности от источника питания. Поэтому основными исходными данными при расчете каскада являются: мощность P Н отдаваемая в нагрузку; уровень частотных и нелинейных искажений; рабочая полоса частот (); коэффициент полезного дейст- Н В 1 2
вия каскада. Усилитель мощности обычно является выходным каскадом усилительного устройства. Сопротивление нагрузки усилителя мощности, как правило, не превышает величину нескольких десятков или сотен Ом. Если низкоомную нагрузку, включить непосредственно в выходную цепь транзистора выходного каскада, имеющего обычно большое выходное сопротивление, то мощность сигнала в нагрузке окажется очень малой. В этом случае согласование выходного сопротивления усилительного каскада и сопротивления нагрузки осуществляется с помощью выходного трансформатора. Если нагрузка достаточно высокоомная, то она может быть включена непосредственно в выходную цепь оконечного усилительного каскада Классы усиления в усилителях мощности В зависимости от положения точки покоя на линии нагрузки по постоянному, току различают три основных режима (раннее название класс) работы транзисторов в усилителях мощности: А; В и АВ. Применяют также специфические режимы С; D (близкие к ключевому) и ключевой импульсный режим. В режиме А точку покоя транзистора на выходных характеристиках выбирают так, чтобы рабочая точка при перемещении по линии нагрузки не попала в области искажений формы выходного сигнала. Таким образом, все рассмотренные выше усилительные каскады работают в режиме А. Энергетические параметры усилителя мощности определяют из графических построений: мощность в коллекторной цепи каскада ОЭ: Р, 5 U I ; К ВЫХ m К m мощность, потребляемую от источника питания: Р EК I КП; КПД коллекторной цепи: Р U ВЫХ m I К К m, 5. Р EК I КП Как следует из формул при максимальных амплитудах напряжения и тока (U ВЫХ m EК и U К m I КП) КПД транзисторного усилителя мощности, работающего в режиме А, не превышает 5 %. В режиме класса А выбор точки покоя производят так, чтобы рабочая точка при движении по линии нагрузки не заходила в нелинейную начальную область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока, т. е. в области искажений выходного сигнала. Иными словами, все рассмотренные каскады работают в режиме усиления класса А. Режим класса А используется в так называемых однотактных каскадах усиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшие нелинейные искажения выходного сигнала, но обладают минимальным КПД 2 3
Они нашли применение при мощности в нагрузке не более нескольких десятков милливатт. В режиме класса В точка покоя располагается в крайней правой части линии нагрузки каскада по постоянному току. Режиму покоя соответствует напряжение U БЭ. При наличии входного сигнала ток коллектора транзистора протекает только в течение одного полупериода, а в течение другого транзистор работает в режиме отсечки тока. В режиме класса В усилитель мощности выполняют по двухтактной схеме с использованием двух транзисторов. Каждый из транзисторов служит для усиления соответствующей полуволны входного сигнала. Выходной каскад при этом обладает более высоким КПД и применяется на более высокие мощности, чем однотактный. Режим класса АВ является промежуточным между режимами классов А и В. Он позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения выходного сигнала, сильно проявляющиеся в режиме класса В вследствие нелинейности начального участка входной характеристики транзисторов. Это достигается некоторым смещением точки покоя вверх. Каскады усиления мощности рассматриваются на биполярных транзисторах, включенных преимущественно по схеме ОЭ. На полевых транзисторах эти каскады выполняются аналогично. 1.3 Бестрансформаторный усилитель мощности на комплементарных транзисторах К входу бестрансформаторного выходного каскада на комплементарных транзисторах (рисунок 1, а)) подводится однофазное усиливаемое напряжение. Оба транзистора задействованы по схеме эмиттерного повторителя и обычно запитываются от двух разнополярных одинаковых источников питания ЕК1 ЕК 2. Нагрузка в усилительном каскаде подключена к общей точке соединения эмиттеров транзисторов. T 1 T 2 i К1 R Н u ВЫХ i К 2 Е К 1 Е К 2 i К1 i К 2 u ВЫХ 2 3 t t t t 3 4
а) в) Рисунок 1 Бестрансформаторный усилитель мощности на комплементарных транзисторах: а) схема; б) временные диаграммы токов и напряжений К входу бестрансформаторного выходного каскада на комплементарных транзисторах (рисунок 1, а)) подводится однофазное усиливаемое напряжение. Оба транзистора задействованы по схеме эмиттерного повторителя и обычно запитываются от двух разнополярных одинаковых источников питания ЕК1 ЕК 2. Нагрузка в усилительном каскаде подключена к общей точке соединения эмиттеров транзисторов. С помощью временных диаграмм токов и напряжений (рисунок 1, б)) рассмотрим принцип действия бестрансформаторного выходного каскада. Транзисторы в схеме работают попеременно в так называемом режиме В. Например, на угловом интервале при положительной полуволне входного гармонического напряжения открывается транзистор Т 1 (n р n типа), пропуская в нагрузку импульс коллекторного тока i К1. При этом на нагрузке выделяется положительная полуволна выходного напряжения u ВЫХ. На интервале 2, когда на вход каскада поступает отрицательная полуволна входного напряжения, напряжения, открывается транзистор Т 2 (р n р типа) и через нагрузку протекает импульс тока i К 2, создавая на ней отрицательную полуволну выходного усиленного напряжения u ВЫХ. Усилительный каскад мощности рассчитывают графоаналитическим методом, используя статические характеристики любого транзистора, например Т 1. КПД коллекторной цепи возрастает с увеличением амплитуды выходного напряжения и при значениях U Кm ЕК достигает предельного значения 78,5 %. Так как оба транзистора включены по схеме эмиттерного повторителя (схему часто называют двухтактным эмиттерным повторителем), то значительно упрощается согласование выходного сопротивления усилителя с низкоомной нагрузкой. Однако в этом случае выходное напряжение не превышает входное, и усиление мощности обеспечивается только за счет усиления тока. Основной недостаток двухтактных усилителей мощности, работающих в режиме В, нелинейные искажения выходного сигнала из-за нелинейности начальных участков входных характеристик транзисторов. Объединенная входная характеристика двух транзисторов при этом имеет излом вблизи нуля (рисунок 2, а)). Как видно из диаграмм, эта нелинейность искажает базовые токи i Б1 и i Б 2 вследствие чего искажаются формы коллекторных токов транзисторов и выходного напряжения. Устраняют этот недостаток введени- 4 5
ем транзисторов в промежуточный режим АВ (рисунок 2, б)). Это достигается подачей на их базы небольших отрицательных напряжений смещения, равных напряжению отпирания. Обычно источником базового смещения служат диоды, стабилитроны или транзисторы в диодном включении. I Б I Б i Б1 i Б1 u БЭ i t Б 2 u БЭ i Б 2 t t t а) б) Рисунок 2 Диаграммы работы двух транзисторов: а) в режиме В; б) в режиме АВ 1.4 Избирательные усилители Избирательные усилители предназначены для усиления узкополосных сигналов. Как правило, отношение граничных частот рабочей полосы избирательного усилителя не превышает f / f 1, 11, 5. Их АЧХ должна иметь достаточно резкие, близкие к прямоугольным, спады на границах полосы пропускания. По используемому частотному диапазону избирательные усилители делятся на два класса резонансные и с частотно-зависимой ОС. В одной из простейших схем транзисторного резонансного усилителя с на биполярном транзисторе с общим эмиттером нагрузкой коллекторной цепи является параллельный колебательный LC -контур (рисунок 3). Связь с последующим усилительным каскадом или нагрузкой чаще всего осуществляется через разделительный конденсатор. Может также использоваться и высокочастотная трансформаторная связь. Коэффициент усиления резонансного каскада с ОЭ определяется по формуле К U h21r / h11, где R резонансное сопротивление контура, которое заменяет сопротивление нагрузки R КН. Назначение элементов в схеме усилительного каскада рисунка 3 такое В Н 5 6
же, как и в схеме усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером. В каскаде для улучшения выходных характеристик используется отрицательная последовательная обратная связь по постоянному и по переменному току, которая задается резисторами R 1, R 2, R Э. Для устранения отрицательной последовательной обратной связи по переменному току, резистор R Э, шунтируют конденсатором большой емкости С Э. Конденсаторы С Р1 и С Р2 разделительные, разделяют переменные и постоянные составляющие напряжений в схеме. Резисторы R 1 и R 2 называют резисторами базового смещения. С помощью их падают смещение по напряжению на вход активного элемента, в частности транзистора Т. Резонансные усилители применяются на промежуточных и высоких частотах (свыше сотен кгц). Они выполняются обычно на интегральных микросхемах, которые содержат все элементы принципиальной схемы, кроме колебательного контура (на сравнительно низких частотах). В диапазоне частот до нескольких десятков килогерц резонансные LСконтуры не используют из-за больших габаритов конденсаторов и катушек индуктивностей. Поэтому на достаточно низких частотах применяют избирательные усилители с частотно-зависимой ОС, состоящей из RС-цепей. R 1 L C C Р2 Е К C Р1 T u ВЫХ R Н R 2 R Э C Э Рисунок 3 Избирательный усилитель 1.5 Фазоинверсный каскад Фазоинверсные каскады являются предоконечными каскадами усилителя, если оконечный каскад является двухтактным усилителем мощности. Фазоинверсный каскад должен обеспечивать на входе двухтактного усилителя мощности два одинаковых напряжения, сдвинутых по фазе на 18. Наиболее просто осуществить инверсию с помощью каскада с трансформаторным выходом. Вторичная обмотка выполняется с выводом средней 6 7
точки (рисунок 4). Расчет такого каскада не отличается от расчета трансформаторного каскада усилителя мощности, работающего в режиме А. Нагрузкой плеча вторичной обмотки является входное сопротивление одного плеча двухтактного усилителя мощности, а коэффициент трансформации определяется как отношение числа витков половины вторичной обмотки к числу первичной. Е К Тр u вых 1 R 1 u вых 2 C р1 T R Г е Г ~ u вх R 2 R Э C Э Рисунок 4 Схема фазоинверсного каскада с трансформаторным выходом Основными недостатками трансформаторного инверсного каскада является большие вес, габариты и стоимость, а также наличие дополнительных нелинейных искажений. Поэтому часто между предоконечным и оконечным каскадами помещают так называемый фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой. Фазоинверсный каскад (каскад с разделенной нагрузкой) предназначен для получения двух выходных сигналов, имеющих сдвиг по фазе в 18. Схема фазоинверсного каскада приведена на рисунке 4. Она получается из схемы ОЭ при отключении конденсатора С Э и подключении второй нагрузки R Н 2 через C р3 к R Э. Выходные сигналы снимаются с коллектора и эмиттера транзистора. Сигнал u ВЫХ 2, снимаемый с эмиттера, совпадает по фазе с входным сигналом (рисунок 5), а сигнал u, снимаемый с коллектора (рисунок 5), находится с ним в противофазе. ВЫХ 1 7 8
Е К R 1 R К C р2 C р1 T R Г C р3 R Н 1 u вых 1 е Г ~ u вх R 2 R Э R Н 2 u вых 2 Рисунок 2.5 Схема фазоинверсного каскада 8 Лекция 9 Тема 9 Выходные каскады 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены Лекция 8 Тема 8 Специальные усилители Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические Электроника и МПТ Усилители мощности (УПТ) Усилитель мощности усилительный каскад, предназначенный для передачи в нагрузку заданной либо максимально возможной мощности при максимально возможном КПД и минимальных ТЕМА 7 Температурная стабилизация При повышении температуры окружающей среды ток транзистора увеличивается и его характеристики смещаются вверх (рис. 1). Рис.1 Эмиттерная стабилизация. Заключается в использовании Основы схемотехники ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ...1 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ...1 2. УСИЛЕНИЕ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ...6 3. УСИЛЕНИЕ СИЛЬНЫХ СИГНАЛОВ...14 4. ОСНОВЫ МИКРОСХЕМОТЕХНИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ...18 1. Основные положения Лекция 7 Тема 7 Предварительные усилители, их принципиальные и эквивалентные схемы Динамические характеристики усилительного элемента В реальных цепях к выходу усилительных (активных) элементов обычно Лекция 6 Тема Усилительные каскады на биполярных транзисторах 1.1 Питание усилителей. Подача смещения на вход активного элемента Положение начальной рабочей точки определяется полярностью и значением напряжения Лекция 5 Тема 5 Обратная связь в усилителях Обратной связью () называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную. На рисунке 4 показана структурная схема усилителя 6.3. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ Двухтактные УМ могут быть трансформаторными и бестрансформаторными. Двухтактный трансформаторный УМ представляет собой два однотактных каскада с общими цепями нулевого Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 5.1. ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Назначение и классификация усилителей. Усилители переменного напряжения являются наиболее распространенным типом электронных Лекция 6 Тема 6 Температурная стабилизация усилительных элементов Динамические характеристики усилительного элемента В реальных цепях к выходу усилительных (активных) элементов обычно подключают нагрузку ТЕМА 6 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ. Электронный усилитель - устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы. По функциональному Глава 4. Режимы работы усилительных элементов 4.1 Режим А Этот режим характеризуется тем, что точка покоя выбирается в средней используемой для работы части нагрузочной ВАХ (нагрузочной прямой) усилительного Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского Радиофизический факультет Отчет по лабораторной работе 5 Апериодический усилитель Выполнили студенты 430 группы Нижний Новгород, 2018 Основы функционирования преобразовательной электронной техники Выпрямители и инверторы ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ДИОДАХ Показатели выпрямленного напряжения во многом определяются как схемой выпрямления, так и используемыми Лекция 4 Тема 4 Основные показатели и характеристики усилителей Основные определения Устройства, с помощью которых путем затраты небольшого количества электрической энергии управляют энергией существенно Усилители УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Обратная связь находит широкое использование в разнообразных устройствах полупроводниковой электроники. В усилителях введение обратной связи призвано улучшить ряд Лекция 8 Тема: Интегральные усилители 1 Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические Лекция 8. Усилители мощности Обратные связи в усилительных каскадах. Каскодные схемы. План 1. Введение. 2. Усилители мощности 3. Обратные связи в усилительных каскадах 4. Каскодные схемы. 1. Введение. Генераторы Среди генераторных устройств следует различать генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы прямоугольных колебаний, или сигналов прямоугольной формы (генераторы импульсов). ЛЕКЦИЯ 13 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Динамический и ключевой режимы работы биполярного транзистора План занятия: 1. Динамический режим работы транзистора 2. Ключевой режим работы транзистор 3. Динамические ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Oleg Stukach TP, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia E-mail: [email protected] ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Общая схема усилителя Энергетические характеристики Частотные характеристики Обратная 280 Лекция 27 СХЕМОТЕХНИКА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ План 1. Введение. 2. Операционные усилители на биполярных транзисторах. 3. Операционные усилители на МОП-транзисторах. 4. Выводы. 1. Введение Операционный Лабораторная работа Усилители на биполярных транзисторах («УБТ»). Цель работы. Изучение принципов работы, исследование амплитудных и частотных характеристик и параметров усилителей на основе биполярных 3.Транзисторные усилительные каскады (расчет по переменному току) Введение Приведенные ниже задачи связаны с расчетом параметров усилительных каскадов, схемы которых рассчитаны по постоянному току в предыдущей 1 Лекция 7. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ. СОГЛАСУЮЩИЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА БИ- ПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ План 1. Введение. 2. Усилительные каскады на полевых транзисторах. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ 5.3. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В усилителе на БТ транзистор должен работать в активном режиме, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. ТЕСТЫ по дисциплине «Основы радиоэлектроники» Для студентов специальности -3 4 Физика (по направлениям) -3 4-2 Физика (производственная деятельность) Какое из определений сигналов приведено не верно? Электрические Принцип действия усилительного каскада на биполярном транзисторе Принцип построения усилительных каскадов Электроника Базовым звеном любого усилителя является усилительный каскад (УК). Несмотря на разнообразие Блок 3 Задание 1. 1. Для заданной схемы выпрямителя определить для режима холостого хода изобразить схему выпрямителя и осциллограммы напряжений на: 1 напряжения на вторичной обмотке трансформатора; 2 Лекция 5 Тема: Усилительные устройства Основные определения Устройства, с помощью которых путем затраты небольшого количества электрической энергии управляют энергией существенно большей, называют усилителями. Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска корины» ОНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ПРОВЕРОЧНЫЕ ТЕТЫ -3 4 Физика (по направлениям) САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет: РФФ Группа: 3091/2 Бригада: 3 Студенты: Нарыков А. Егоров П. Ефремов Д. Преподаватель: Нечаев Д.А. Рабочий протокол и отчёт по Лекция 10 Тема 10 Операционные усилители Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами Лекция 11 Тема: Аналоговые интегральные микросхемы (Продолжение). 1) Операционные усилители. 2) Параметры ОУ. 3) Схемотехника ОУ. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Операционными усилителями (ОУ) называют усилители Лабораторная работа # 2 (19) Исследование характеристик биполярного транзистора и усилителя на биполярном транзисторе. Цель работы: Исследование вольтамперных характеристик биполярного транзистора и усилителя 12.2. СИММЕТРИЧНЫЙ ТРИГГЕР НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С КОЛЛЕКТОРНО-БАЗОВЫМИ СВЯЗЯМИ Установление исходного состояния. Принципиальная схема симметричного транзисторного триггера с коллекторно-базовыми МОДУЛЬ 3. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И ГЕНЕРАТОРЫ В результате изучения модуля студенты должны: знать принципы построения, характеристики и параметры различных типов усилителей и генераторов гармонических Лекция 11 Тема: Импульсные устройства Импульсный режим работы усилителя Импульсному (ключевому) режиму работы транзистора соответствует два крайних состояния: транзистор либо заперт, или полностью открыт. ТЕМА 9 ГЕНЕРАЦИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Генераторы - электронные устройства создающие электрические колебания определенной амплитуды, частоты и формы Энергия генерируемых колебаний появляется в результате Лабораторная работа 2 Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах Цель работы Изучение работы усилительных каскадов на биполярных транзисторах, определение основных параметров и их расчет 5.12. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Усилители низкой частоты. УНЧ в интегральном исполнении это, как правило, апериодические усилители, охваченные общей (по постоянному и переменному току) ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЫ ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ 1 Цель и задачи контрольно-курсовой работы Изучение структуры, Усилители постоянного тока. Операционные усилители (ОУ). Проблема дрейфов: в усилителях переменного тока разделение каскадов емкостями или трансформаторами, применение реактивных нагрузок (дроссели и 2. ПРИЦИПЫ ПОСТРОЕИЯ УСИЛИТЕЛЬЫХ ЗВЕЬЕВ ААЛИЗ РАБОТЫ ТИПОВЫХ УСИЛИТЕЛЬЫХ ЗВЕЬЕВ В РЕЖИМЕ МАЛОГО СИГАЛА 2.. Усилительное звено и его обобщенная схема. Малосигнальные параметры биполярных и полевых транзисторов, 0. Измерения импульсных сигналов. Необходимость измерения параметров импульсных сигналов возникает, когда требуется получить визуальную оценку сигнала в виде осциллограмм или показаний измерительных приборов, Лекция Тема олебательные системы Выделение полезного сигнала из смеси различных побочных сигналов и шумов осуществляется частотно-избирательными линейными цепями, которые строятся на основе колебательных ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 1 ЦЕПИ СМЕЩЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ, РАБОТА КАСКАДА. Целью работы является изучение процессов, происходящих в усилительном каскаде, на примере схемы с общим эмиттером. МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра автоматизации сельскохозяйственного производства Глава 5. Дифференциальные усилители 5. Дифференциальные усилители Дифференциальный усилитель это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, использующийся для усиления разности напряжений МОДУЛЯТОРЫ АМПЛИТУДЫ СИГНАЛОВ МОЩНОСТЬЮ 10...100 ВТ ДИАПАЗОНА 10...450 МГЦ (Электросвязь. 2007. 12. С. 46 48) Александр Титов 634034, Россия, г. Томск, ул. Учебная, 50, кв. 17. Тел. (382-2) 55-98-17, E-mail: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Амплитудный модулятор Цель работы: исследовать способ получения амплитудно-модулированного сигнала с помощью полупроводникового диода. Управление амплитудой высокочастотных колебаний 84 Лекция 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ План 1. Введение 2. Параметрические стабилизаторы 3. Компенсационные стабилизаторы 4. Интегральные стабилизаторы напряжения 5. Выводы 1. Введение Для работы электронных 10.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ Общие сведения. Электронный ключ это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в ТЕМА 8 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В усилителях постоянного тока (УПТ) (частота сигнала единицы и доли герц) применяют непосредственную омическую (гальваническую) связь. Лучшими Электроника Стабилизация положения рабочей точки усилительного элемента В процессе работы положение рабочей точки усилительного элемента изменяется. Это происходит вследствие действия дестабилизирующих ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение характеристик, параметров и режимов работы усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном 1 Искажения при детектировании амплитудно-модулированных колебаний Кафедра РЭИС. Доцент Никитин Никита Петрович. 2009 2 Нелинейные искажения при детектировании амплитудномодулированных колебаний Пусть Мордовский Государственный Университет Имени Н.П.Огарева Институт Физики и Химии Кафедра Радиотехники Бардин В.М. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ И ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ. Саранск, Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины» ОСНОВЫ РАДОЛЕКРОНК ОБУЧАЮЩЕ ЕСЫ Для студентов специальности -3 04 03 58 А. А. Титов УДК 621.375.026 А. А. ТИТОВ ЗАЩИТА ПОЛОСОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ОТ ПЕРЕГРУЗОК И МОДУЛЯЦИЯ АМПЛИТУДЫ МОЩНЫХ СИГНАЛОВ Показано, что биполярный транзистор представляет собой управляемый ограничитель Раздел 2. Усиление слабых сигналов. Глава 4. Принципы построения усилительных схем 4.1. Схемы подачи питания и стабилизации Постоянные токи и напряжения в цепях УЭ, соответствующие состоянию покоя, т.е. 7. Базовые элементы цифровых интегральных схем. 7.1. Диодно-транзисторная логика Транзисторный каскад, работающий в ключевом режиме, можно рассматривать, как элемент с двумя состояниями, или логический Лекция номер 10 Схемы преобразователей Никитин Н.П. Классификация схем По типу гетеродина: с отдельным и с совмещённым гетеродином По типу прибора, на котором выполняется смеситель: транзисторные и диодные 109 Лекция ЦЕПИ С ДИОДАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ План 1. Анализ цепей с диодами.. Источники вторичного электропитания. 3. Выпрямители. 4. Сглаживающие фильтры. 5. Стабилизаторы напряжения. 6. Выводы. 1. Анализ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» (ННГУ) Радиофизический Задача 1 Определим исходные данные: 1. Начертим схему выпрямителя с фильтром, на которой обозначим напряжения и токи в обмотках трансформатора, вентилях и нагрузке. Укажем полярность выходных клемм. 2. Задачей
выходных каскадов является обеспечение заданной мощности в нагрузке. Коэффициент
усиления напряжения является для выходных каскадов второстепенным параметром;
-для них наиболее важными являются коэффициент полезного действия и коэффициент
нелинейных искажений при обеспечении заданной мощности. Выходные
каскады обычно потребляют основную часть мощности усилителя, поэтому высокий
КПД имеет существенное значение. Это особенно важно для интегральных схем,
в которых мощность, рассеиваемая кристаллом, ограничена. Что касается коэффициента
нелинейных искажений, то для выходных каскадов он имеет немаловажное значение,
поскольку в таких каскадах усиливаемые сигналы максимальны. Коэффициент
полезного действия определяется как отношение выходной мощности каскада к
мощности, отбираемой от источника питания Ucc: КПД=и„1„,/2и„1,р, где U„,
!„ - амплитуды выходного тока и напряжения; Icp - среднее значение потребляемого
каскадом тока. Коэффициент
нелинейных искажений характеризует отличие формы выходного сигнала от формы
входного, что обусловлено нелинейностью передаточной характеристики каскада.
Нелинейные искажения характеризуются появлением в выходном сигнале новых гармоник,
отсутствующих во входном сигнале. Характеристикой нелинейных искажений является
отношение суммарной мощности высших гармоник, начиная со второй, к мощности
первой гармоники (на частоте входного сигнала). Допустимое
значение коэффициента нелинейных искажений определяется конкретными требованиями
к той или иной аппаратуре. Например, при воспроизведении звука в аппаратуре
среднего качества допускаются искажения 2...3%, в измерительных устройствах
и усилителях высокого класса его значения существенно меньше. Как
отмечалось выше, имеется несколько типов режимов работы выходных каскадов. Класс
А характеризуется минимальными нелинейными искажениями и малым КПД. Класс
В характеризуется тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе
квазилинейного участка, которая соответствует запертому состоянию транзистора.
Очевидно, что в этом случае усиливаются только положительные полуволны входного
сигнала. Поэтому выходное напряжение оказывается существенно несинусоидальным,
т.е. содержит большое число гармоник. Анализ показывает, что коэффициент нелинейных
искажений в классе В независимо от амплитуды сигнала составляет около 70%,
что в большинстве случаях неприемлемо. Режим класса В реализуется в так называемой
двухтактной схеме, состоящей по существу из двух усилителей, один из которых
усиливает положительную полуволну сигнала, а другой - отрицательную. В нагрузке
эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду. На
рис. 7.13, а показана наиболее простая двухтактная схема класса В, выполненная
на коплементарных транзисторах (транзисторах разной проводимости). Нагрузка
Rn включена в эмиттерную цепь транзисторов, работающих в режиме повторителей
напряжения. В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на
эмиттерных переходах равны нулю. Во время положительной полуволны входного
сигнала Ui открывается транзистор VT1, а во время отрицательной полуволны
- транзистор VT2. Коэффициент усиления мощности близок к отношению эмиттерного
и базового токов, т.е. равен В+1. При
очевидной простоте схемы на рис. 7.13, а ей свойственны сравнительно большие
нелинейные искажения, что связано с наличием так называемой "пятки"
на входной ВАХ биполярных транзисторов. Очевидно, что такие искажения будут
особенно существенны при малых входных сигналах с амплитудой, сравнимой с
напряжением база-эмиттер в рабочей точке. Для устранения этого недостатка
используют раздельные схемы подачи смещения на базы транзисторов (рис. 7.13,
б), что обеспечивает режим класса АВ. При
построении выходного каскада на однотипных транзисторах используется схема
на рис. 7.13, в. В ней транзистор VT2 открыт в течение обоих полупериодов.
В режиме покоя ток транзистора выбирается так, чтобы потенциал коллектора
VT2 был равен нулю. При этом диод VD и транзистор VT1 заперты; ток в нагрузке
отсутствует. Во время положительной полуволны входного сигнала потенциал коллектора
VT2 уменьшается, при этом открывается диод VD и через нагрузку начинает протекать
ток. Транзистор VT1 остается закрытым, так как прямое напряжение Е на диоде
создает на эмиттерном переходе обратное смещение. Во время отрицательной полуволны
потенциал коллектора VT2 повышается, отпирается транзистор VT1 и через нагрузку
протекает ток, обусловленный транзистором VT1. При этом диод заперт, так как
прямое напряжение Е на эмиттерном переходе создает на диоде обратное смещение. Для того чтобы открылся
диод VD (при положительной полуволне) или транзистор VT1 (при отрицательной
полуволне), потенциал коллектора VT2 должен измениться на величину ±Е (напряжение
база-эмиттер в статическом режиме) по сравнению с потенциалом покоя. Следовательно,
минимальная амплитуда входного сигнала, на которую реагирует рассматриваемый
каскад, составляет Е/К, где К - коэффициент усиления каскада на транзисторе
VT2. Для исследования каскада на рис. 7.13, в используется схема на рис. 7.14. Рис.
7.14. Схема для исследования выходного каскада Рис.
7.15. Выходной двухтактный каскад с однополярным питанием Возможны и другие схемы
выполнения выходных каскадов, в том числе и с однополярным питанием. Одна
из них приведена на рис. 7.15. Ее особенностью является то, что конденсатор
Ск, включенный последовательно с нагрузкой Rn, после его зарядки
до напряжения Е, равного напряжению на эмиттерах транзисторов в статическом
режиме, работает в течение одного из полупериодов как источник питания. В
мощных выходных каскадах на базе эмиттерных повторителей короткое замыкание
на выходе, как правило, приводит к выходу транзисторов из строя из-за превышения
коллекторным током допустимого значения. Для защиты от коротких замыканий
в эмиттерные цепи мощных выходных транзисторов включают небольшие ограничивающие
ток сопротивления (несколько ом) или вводят дополнительные транзисторы, которые
открываются только при больших токах нагрузки и, шунтируя входную цепь, ограничивают
выходной ток на безопасном уровне. Одна из возможных схем защиты с помощью
дополнительных транзисторов показана на рис. 7.16. Рис.
7.16. Выходной каскад с защитой от коротких замыканий Схема
защиты работает следующим образом. При коротком замыкании в нагрузке ток через
сопротивление Ro увеличивается и создает падение напряжения, открывающее в
соответствующие полупериоды транзисторы VT5, VT6. Оказываясь в режиме насыщения,
они шунтируют входную цепь мощного усилительного каскада. В итоге входное
напряжение ограничивается сопротивлением Ri и токи транзисторов VT3, VT4 не
превышают значений, при которых они работают в номинальном режиме. Подобная
защита имеет высокое быстродействие и обеспечивает надежную работу мощных
усилительных каскадов. При ее введении обязательно наличие дополнительного
резистора Ri, сопротивление которого выбирается, исходя из минимально допустимого
значения сопротивления нагрузки предварительного усилителя, к которому подключается
выходной каскад. Контрольное
задание 1.
Путем подбора сопротивления RI в схеме на рис. 7.14 установите зафиксированный
приборами статический режим при R2=Rn=100 Ом. Определите коэффициент усиления
каскада и максимальный входной сигнал, при котором он передается на выход
без искажений (определяется визуально). 2. Составьте схему исследования
выходного каскада (рис. 7.15) и проведите ее моделирование.
Однотактные и двухтактные выходные каскады
Однотактный каскад
Двухтактный каскад
Транскрипт
Загрузка...