Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"
Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Февраля 2013 в 00:47, курс лекций
Описание работы
1. Принцип электронного усиления и классификация усилителей
2. Основные показатели качества усилительных устройств
3. Анализ работы УК с помощью ВАХ
4. Критерии выбора положения ИРТ
5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
Работа содержит 45 файлов
Однотактные оконечные каскады усиления
Оконечные каскады усиления служат для передачи мощности сигнала в
нагрузку (рис. 1)
Рис. 1
Специфические требования к оконечным каскадам обусловлены необхо-
димостью обеспечения в нагрузке требуемой мощности, большей чем мощ-
ность, обеспечиваемая всеми предыдущими каскадами. В большинстве слу-
чаев это требование влечет за собой необходимость обеспечения высокой
эффективности преобразования мощности источника питания в сигнальную
мощность в нагрузке, т. е. обеспечения высокого КПД. Кроме того, работа с
большой сигнальной мощностью приводит к выходу усилительного прибора
из области малосигнального режима, что связано с увеличением нелинейных
искажений.
Указанные факторы необходимо учитывать при разработке оконечных
каскадов усиления.
Все рассматриваемые в предыдущих разделах каскады усиления отно-
сятся к так называемым однотактным усилителям. По отношению к одиноч-
ному каскаду это означает, что на всем протяжении сигнального процесса
сигнал в нагрузке формируется одним усилительным прибором. В противо-
положность этому подходу многотактные схемы, в частности двухтактные
каскады работают таким образом, что усилительные приборы включаются в
работу попеременно.
В данном разделе рассмотрим однотактные схемы оконечных каскадов.
С точки зрения КПД усилительные каскады принято делить на классы
"А", "В", "С" и т. д., отличающиеся друг от друга характером протекания тока
через усилительный прибор.
Класс "А" характеризуется непрерывным протеканием тока через тран-
зистор. Именно в классе "А" работают малошумящие усилители и предвари-
тельные каскады усиления.
Рассмотрим геометрическую трактовку процесса усиления в классе "А"
с учетом особенностей оконечного каскада. На рис. 2 приведена схема каска-
да ОЭ, где для снижения потерь энергии питание и смещение подается через
индуктивности, имеющие большое сопротивление на нижней частоте спектра
сигнала.
Рис. 2
При работе с большими сигналами ВАХ транзисторов принято изобра-
жать в кусочно-линейном приближении, как это показано на рис. 3.
Рис. 3
Как видно из рисунка за счет выбора начального напряжения смещения
на базе транзистора
бэ0
E
ток коллектора протекает через транзистор непре-
рывно в течение всего периода сигнала. Если пренебречь потерями напряже-
ния источника питания на крутых участках выходных ВАХ, то соотношение
между токами и напряжениями в выходной цепи транзистора графически
может быть представлено так, как показано на рис. 4.
Рис. 4
Средняя мощность, потребляемая от источника питания равна
п
к0 бэ0
P
I U
=
. Максимальная мощность гармонического сигнала в нагрузке
кэ0 кэ0
н
2
2 2
m m
I U
I U
P =
=
. Тогда максимально достижимый КПД равен
н
п
1
η
2
P
P
=
= . При работе в классе "А" с гармоническим сигналом КПД не мо-
жет превышать 0,5.
Заметим, что данное утверждение соответствует оптимальному сопро-
тивлению нагрузки – оптимальному с точки зрения передачи в нагрузку мак-
симально возможной мощности. Как видно из рис. 2 при изображенном на-
клоне нагрузочной характеристики размахи тока и напряжения в выходной
цепи при отсутствии искажений максимальны. При увеличении сопротивле-
ния нагрузки по сравнению с оптимальным уменьшается диапазон выходных
токов, а при уменьшении – диапазон выходных напряжений (рис. 5, 6).
Рис. 5
Рис. 6
Зачастую сопротивление нагрузки задано и не может варьироваться раз-
работчиком. В таких случаях требуется трансформация сопротивления на-
грузки к выходной цепи транзистора. Примеры схем с трансформацией со-
противления нагрузки приведены на рис. 7.
Рис. 7
На рис. 7а в выходной цепи установлен трансформатор, сопротивление
со стороны первичной обмотки которого равно
2
нэкв
н
R
k R
=
, где k – коэф-
фициент трансформации. Первичная обмотка трансформатора кроме того
служит для подачи на коллектор транзистора питающего напряжения. В схе-
ме рис. 7б приведен вариант трансформаторной связи не только с нагрузкой,
но и с источником сигнала.
Класс "В" усиления характеризуется тем, что при работе с гармониче-
ским сигналом ток через транзистор протекает только половину периода. Ос-
тавшиеся полпериода транзистор закрыт, и ток через него не протекает. Как
говорят, угол отсечки, т. е. доля периода в угловом выражении, соответст-
вующая закрытому состоянию транзистора, составляет 180 градусов.
Для реализации класса "В" на базу транзистора должно быть подано
смещение, соответствующее порогу открывания
бэ0
бэ0
0,7
E
U
В
≈
=
(рис. 8).
Рис. 8
Как и в классе "А" существует оптимальное сопротивление нагрузки,
при котором в нагрузку может быть передана максимальная мощность. Схе-
ма каскада в классе "В" отличается от рассмотренной ранее только величи-
ной
бэ0
E
. При гармоническом входном сигнале
н
п
2 2 2
m m
I U
P
P
=
=
, а КПД
может теоретически достигать 100 %. Это обстоятельство является достоин-
ством усилителей, работающих в классе "В". Однако, из рис. 8 наглядно вид-
но, что усиление гармонического сигнала сопровождается в данном случае
очень сильными искажениями – в нагрузке выделяются лишь полуволны
входного сигнала. Это ограничивает непосредственное использование одно-
тактных усилителей класса "В".
Дальнейшее увеличение угла отсечки приводит к еще большим искаже-
ниям и переводит усилитель в режим класса "С" (рис. 9).
Рис. 9
Для каскадов на биполярных транзисторах этот режим привлекателен
тем, что в частном случае его реализации постоянное напряжение на базе
транзистора может отсутствовать вовсе, что упрощает схемотехническое по-
строение (рис. 10).
Рис. 10
В дальнейшем будет показано, каким образом искажения, вносимые
усилителями в классах "В" и "С" могут быть значительно ослаблены.
Работа усилительных приборов в классах "D", "E" и т. д. связана с пере-
водом транзисторов в ключевой режим, и коротко будет рассмотрена в сле-
дующих разделах.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"