Зміст:
1. Визначення гармонійних складових вихідного струму
2. Двотактний каскад посилення потужності
3. Енергетичні співвідношення в двотактному каскаді
4. Схеми трансформаторних двотактних каскадів
5. Безтрансформаторні каскад посилення потужності
Література
1. Однотактний каскад посилення потужності
Каскади потужного посилення повинні віддавати в навантаження задану потужність, тому використовується весь розмах характеристики транзистора (з-за великих амплітуд) із заходом на нелінійний ділянку. Один з основних показників - коефіцієнт нелінійних спотворень.
Нелінійні спотворення виникають у вхідний (нелінійність вхідних характеристик) і у вихідний (нелінійність вихідних характеристик) ланцюгах.
Врахувати ці нелінійності дозволяє наскрізна характеристика , Яку можна побудувати по точках вхідний і вихідний характеристик. Будується навантажувальна пряма по змінному струму. Для кожної точки знаходяться значення i к і i б. За вхідний характеристиці знаходяться значення
. Для кожної точки обчислюються значення
. За цим точкам будується наскрізна характеристика як залежність
. За наскрізний характеристиці, побудованій таким чином, можна визначити вплив другої гармоніки. Струм колектора
.
Розглянемо різні моменти часу.
1) Струм колектора ;
2) Струм колектора ;
3) Струм колектора
З цих рівнянь можна знайти значення середнього струму колектора , Амплітуду першої гармоніки струму колектора
і амплітуду другої гармоніки струму колектора
. Тоді коефіцієнт гармонік
Метод трьох ординат дає відомості про вплив тільки другої гармоніки. Щоб врахувати гармоніки більш високого порядку (третю і четверту), користуються методом п'яти ординат, при якому на характеристиці береться п'ять точок.
Узгодження з навантаженням здійснюється за допомогою трансформатора, коефіцієнт трансформації якого, де і
число витків відповідно в первинній і вторинній обмотках. Опір навантаження, перелічене до первинної обмотці
, Звідки
,
знаходиться нижче з електричного розрахунку. З урахуванням ККД трансформатора
,
.
Каскад працює в режимі А.
Струм існує під час усього періоду.
У режимі В відбувається відсічення струму. Струм існує тільки під час кута відсічки колекторного струму. У режимі У . Реально
, Що відповідає режиму АВ.
Необхідно розглянути енергетичні співвідношення в каскаді. Розглянемо сімейство вихідних характеристик.
1) Проведемо навантажувальну пряму по постійному струму. Так як по постійному току навантаженням транзистора є первинна обмотка трансформатора, чиє опір дуже мало, то пряма вертикальна
( )
2) Вибираємо робочу точку О в середині характеристик.
3) Побудуємо навантажувальну характеристику по змінному струмі з умови максимального використання характеристик транзистора. Нахил навантажувальної прямої визначає опір навантаження по змінному струму:
,
якщо це значення сильно відрізняється від заданого , Застосовується трансформатор. Значення струму
повинно бути менше допустимого значення для даного транзистора.
4) Коефіцієнти використання колекторного струму і напруги:
,
.
5) Коливальна потужність: .
6) Споживана потужність: .
7) ККД каскаду: . Тобто ККД каскаду при пікової потужності може досягати
. Середнє значення ККД становить всього 2-4%.
Споживану потужність можна представити у вигляді суми двох складових: коливальної і розсіюваною на колекторі
потужностей:
.
Споживана потужність - величина постійна, максимальна розсіюється - в режимі мовчання, коли ,
. Транзистор вибирається по допустимій потужності
.
Основний недолік режиму А - неповне використання транзистора: .
Для робочої схеми необхідно вибрати напруга живлення . У транзистора існує параметр - допустима напруга на колекторі (
). У режимі А необхідно, щоб
. Для розрахунку необхідно знати вхідний опір і вхідну потужність транзистора. Вхідний опір
,
вхідна потужність
Подвоєні значення амплітуд беруться, тому що робоча точка розташована несиметрично на характерістіке.Нелінейние спотворення можна визначити, побудувавши наскрізну характеристику і розрахувавши коефіцієнт гармонік методом трьох або п'яти ординат. У разі п'яти ординат можна визначити коефіцієнт гармонік з урахуванням перших чотирьох гармонік:
.
Для різних схем включення залежності коефіцієнта гармонік від опору генератора різні.
У схемі з загальною базою нелінійні спотворення менше, тому що в цій схемі є негативний зворотний зв'язок по струму на опорі генератора, чим воно більше, тим глибше ОС, тим менше нелінійні спотворення. Схема з загальним колектором вимагає більшого вхідної напруги, тому що напруга в даній схемі не посилюється, малі спотворення можливі при малих опорах генератора. Схема застосовується в безтрансформаторних каскадах.
2. Двотактний каскад посилення потужності
Властивості двотактного каскаду. Даний тип каскадів є основним для каскадів посилення потужності. Різновиди двотактного каскаду - трансформаторний і без трансформаторних. Особливості трансформаторного каскаду: 1) Каскад складається з двох симетричних плечей;
2) Обидва плеча порушуються противофазно:
,
.
Особливості безтрансформаторного каскаду:
1) Транзистори плечей - комплементарні (тобто різної провідності і мають однакові характеристики):
-
,
-
;
2) Плечі порушуються противофазно, інверсія фази забезпечується за рахунок різної провідності транзисторів.
3) Обидва транзистора працюють по черзі, в режимі В.
Струм кожного плеча складається із змінної і постійної складових, змінні складові противофазно:
,
У трансформаторному каскаді змінні складові струмів течуть зустрічно через первинну обмотку трансформатора, утворюючи різницевий магнітний потік, який утворює віртуальний різницевий струм.
У трансформаторній каскаді різницевий струм реально існує в навантаженні:
,
постійна складова різницевого струму , Змінна складова
, Тобто змінні струми плечей сумуються. При симетрії схеми
, Тоді постійна складова різницевого струму дорівнює нулю.
Двотактні каскади мають наступні властивості:
1) У двотактному каскаді відсутній постійний струм підмагнічування трансформатора, тому магнітна проникність сердечника трансформатора зростає, тому при заданій ідуктівності первинної обмотки можна зменшити габарити трансформатора.
2) У трансформаторній схемі через опір навантаження не протікає постійний струм, навантаження можна підключати через розділовий конденсатор.
3) У різницевому струмі відсутні парні гармоніки:
,
.
Змінна напруга на базі , Тоді за формулами кратних дуг можна отримати вирази для струмів колектора:
,
.
Різницевий струм
.
Парні гармоніки противофазно, в різницевому струмі вони компенсуються, що дозволяє каскаду працювати в режимі В при малих нелінійних викривлення.
У режимі У струм колектора представляє собою послідовність косінусоідальное імпульсів. У таких імпульсів відсутні непарні гармоніки, починаючи з третьої (видно з розкладу в ряд), парні гармоніки компенсуються, в результаті залишається один перший. Протифазне плече дає імпульси протилежної полярності, різницевий струм являє собою цілу гармоніку. Таким чином, в ідеальному випадку в двотактному каскаді відсутні нелінійні спотворення.
4) У джерелі харчування трансформаторного каскаду відсутні непарні гармоніки:
При цьому полегшуються вимоги до ланцюгів розв'язки для зменшення паразитної негативного зворотного зв'язку через ланцюги живлення.
До недоліків двотактних схем можна віднести наявність у схемі двох плечей, двох транзисторів; відводу від середньої точки в первинній обмотці трансформатора; необхідність виконання умов симетрії.
3. Енергетичні співвідношення в двотактному каскаді
Амплітуда колекторного струму для трансформаторного каскаду не повинна перевищувати допустимого значення
.
Для безтрансформаторного каскаду будується навантажувальна пряма
.
Коливальна потужність
.
Постійний струм в одному плечі можна знайти з розкладання косінусоідальное імпульсів: . Потужність, споживана двома плечима:
, Тобто споживана потужність залежить від амплітуди імпульсів колекторного струму, в режимі мовчання, каскад не споживає енергію.Коеффіціент використання колекторного напруги:
. ККД каскаду
ККД каскаду залежить від амплітуди імпульсів колекторного струму , Максимум ККД виходить при максимальній амплітуді, якщо
, То
. Середній ККД
.
Потужність, що розсіюється на колекторі одного транзистора
Для знаходження максимуму функції продиференціюємо по :
Прирівняємо похідну до нуля, звідки критичний коефіцієнт використання напруги . Критичне напруга
, Струм
. Тоді максимальна розсіює потужність
Ставлення коливальної і розсіюваною потужностей:
При пікової коливальної потужності прагне до одиниці, тоді
, Тобто
, Або
. Транзистор вибирається з умови
.
У режимі У коливальна потужність для одного транзистора , А в режимі А -
. Як бачимо, при одному і тому ж
в режимі У коливальна потужність одного транзистора в
разів більше, ніж у режимі А. Поряд з високим ККД ця обставина є основною перевагою роботи в режимі В.
4. Схеми трансформаторних двотактних каскадів
Використовуються в основному схеми з загальним емітером і спільною базою.
1) Класична схема з загальним емітером (робота транзисторів у режимі А. Опору R 1, R 2 - дільник ланцюга зміщення; R е-опір термостабілізації, не шунтується конденсатором, так як при симетрії плечей змінну напругу на ньому не падає через противофазно струмів плечей. При асиметрії падіння змінної напруги симетрувального плечі (для одного плеча воно утворює позитивний зворотний зв'язок, для іншого - негативну). Схема працює тільки в режимі А, тому що в режимі У ємності заряджаються при відкритих транзисторах і не встигають розрядитися при закритих, тому транзистори замикаються.
2) Схема з диференціальним каскадом. Замість опору R е. можна включити генератор стабільного струму. Транзистори двотактного каскаду включені за схемою з загальним емітером. Дана схема володіє мінімальною потужністю збудження (підвищеним коефіцієнтом посилення), але також бльшімі нелінійними спотвореннями в порівнянні зі схемою, де транзистори включені із загальною базою.
3) Схема із загальною базою. Опору R 1, R 2 - дільник ланцюга зсуву. Схема із загальною базою вимагає на вході додаткової потужності для збудження, тому предоконечного каскад повинен також бути підсилювачем потужності. На виході каскаду отримуємо велику потужність в порівнянні зі схемою з загальним емітером при менших нелінійних викривлення, так як у вхідному ланцюзі присутній послідовна негативний зворотний зв'язок за струмом. Схеми з загальним колектором в трансформаторному варіанті не розглядаються
5. Безтрансформаторні каскад посилення потужності
Безтрансформаторні каскади мають меншими масогабаритними параметрами, в них відсутні лінійні і нелінійні спотворення за рахунок трансформатора.
1) Схема на комплементарних транзисторах.
Транзистор - N - p - n типу,
- P - n - p типу, інверсний каскад не потрібно. Транзистор
відкривається позитивної півхвилею, транзистор
- Негативною, інверсія фази відбувається в самому каскаді. Транзистори працюють в режимі В. За постійному струму транзистори включені послідовно, по відношенню до опору навантаження R н - паралельно, це дозволяє вибирати величину навантаження, необхідну для узгодження з транзисторами. Недолік схеми - наявність внутрішньої точки для подачі вхідного сигналу, два джерела сигналу ..
Транзистори включені за схемою з загальним колектором, і схема являє собою комплементарний емітерний повторювач.
Якщо зсув на базах транзистора відсутній, то амплітудна характеристика нелінійна. Для усунення нелінійності на бази подають невеликий струм зміщення.
2) Схема з ланцюгом зсуву. Діоди VD 1, VD 2задают зсув порядку 0,7 B, усунення між базами становить приблизно 1,4 B. Опору R 1, R 2 задають струм зміщення I див.
Замість діодів можуть бути включені термістори. Діоди встановлюються на радіатори транзисторів, виконуючи, таким чином, функцію термокомпенсации.
3) Схема на складених комплементарних транзисторах.
Застосовується для збільшення коефіцієнта посилення і збільшення вхідного опору. На опорах R 1, R 2 задають падіння
напруги по 0,4 B. Напруга на базо-емітерного переходу транзистора VT 1, VT 2 , Тоді усунення між базами транзисторів VT 1, VT 2 становить (0,7 +0,4) 2 = 2,2 B. Вихідні транзистори VT 3, VT 4находятся в замкнутому стані, на їх базах по 0,4 B, відкриваються вони тільки сигналом великої амплітуди. При великих потужностях важко підібрати комплементарную пару, тому часто використовують вихідні транзистори однаковою провідності.
4) Квазікомплементарная схема.
На опорах R 1, R 2 задають падіння напруги по0, 4 B. Зсув між базами транзисторів VT 1, VT 2составляет 0,7 * 2 +0,4 = 1,8 B. Транзистори VT 3, VT 4 однаковою провідності, але складові пари мають різну провідність, тому що вона визначається провідністю вхідних транзісторов.Прі симетрії плечей через опір навантаження не протікає постійний струм, навантаження можна підключити через розділовий конденсатор і використовувати несиметричний джерело живлення.
5) Квазікомплементарная схема з несиметричним джерелом живлення.
Розділовий конденсатор Cp великої ємності (500-1000 мкФ). Така місткість необхідна при малому опорі навантаження, щоб забезпечити спотворення не більше заданих. Під час роботи VT 3 Cp заряджається. При закритому транзисторі VT 3 напруга на Cp є напругою живлення для транзистора VT 4, через який він розряджається. Змінні струми обох плечей підсумовуються у фазі. Наявність розділового конденсатора Cp ускладнює конструкцію, але захищає опір навантаження від струму короткого замикання у випадку пробою транзисторів, спрощує конструкцію джерела живлення.
Пара транзисторів VT 1, VT 3 утворюють складовою транзистор n - p - n типу, включений за схемою з загальним колектором (емітерний повторювач).
Пара транзисторів VT 2, VT 4 утворюють два каскади із загальним емітером. Вихідна напруга каскаду включено в ланцюг емітера транзистора VT 2, утворюючи глибоку послідовну негативну зв'язок по напрузі, через що плече має високий вхідний, низький вихідний опору, фаза напруги не повертається, коефіцієнт посилення по напрузі близький до одиниці, тобто плече має властивості схеми з загальним колектором, таким чином, досягається симетрія плечей.
Література:
1. В. Майоров, С. Майоров - Підсилювальні пристрою на лампах, транзисторах і мікросхемах
2. Розрахунок схем на транзисторах. Пер. з англ. - М.: Енергія, 1969
3. Цикін Г. С. Електронні підсилювачі - М.: Зв'язок, 1965
4. Ксояцкас А. А. Основи радіоелектроніки - М.: В. Ш., 1988