Нелинейное резонансное усиление, схемы усилителей и их применение

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	3
1.  Нелинейное резонансное усиление, схемы усилителей и их применения	4
1.1 Нелинейное резонансное усиление	4
1.2. Принципиальная схема  замещения для первой гармоники                            резонансного усилителя	4
1.3. Умножение частоты	6
1.4. Амплитудная модуляция	7
1.5. Схемы усилителей	9
1.6. Простые двухкаскадные усилители	18
1.7. Применение усилителей	22
2. Исследование нелинейного резонансного усилителя	26
Заключение	30

Список источников и литературы

31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Курсовая работа основана на изучении нелинейного резонансного усиления, схем усилителей а так же их применения.

Нелинейные резонансные усиления имеют малый КПД из-за небольшой доли переменной составляющей тока I₁, от постоянной I₂, отбираемого от источника питания. Эти усилители применяются для усиления слабых сигналов в приемных устройствах.

Наличие в составе тока усилителя, работающего в нелинейном режиме, гармоник, кратных основной частоте возбуждения, позволяет  использовать его в качестве умножителя частоты. Для этого необходимо настроить  нагрузочный колебательный контур на частоту выделяемой гармоники. Амплитуды  высших гармоник растут при уменьшении угла отсечки.

Рассмотрел схемы усилителей, таких как:

• бестрансформаторный выходной каскад на составных БТ, работающий      в режиме В;
• усилитель мощности с выходным каскадом на квазикомплементарной паре транзисторов;
• усилитель мощности с питанием дифференциального каскада от источника тока на полевом транзисторе;
• усилитель мощности с входным дифференциальным каскадом;
• УМЗЧ с глубокой ООС;
• усилитель мощности;
• усилитель с выходным каскадом, работающим в режиме В;
• КП904 (30 Ватт);
• AB-300;
• AB-600;
• двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p – n;
• усилитель на транзисторах разной структуры.

 

 

 

 

 

1.  НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ,       СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

 

1. Нелинейное резонансное усиление

 

В качестве примера использования  нелинейных цепей рассмотрим нелинейный резонансный усилитель. Нелинейные усилители имеют малый КПД из-за небольшой доли переменной составляющей тока I₁ от постоянного тока I₀, отбираемого от источника питания. Применяются для усиления слабых сигналов в приемных устройствах. В передающих устройствах из-за большой мощности важно поднять КПД, что осуществляется переводом в сильно нелинейный режим с отсечкой тока. Для сохранения структуры усиливаемого сигнала на выходе ставят фильтры (резонансный или связанные контуры), которые для основной частоты имеют большое сопротивление и, следовательно, дадут на выходе большую амплитуду напряжения, а для кратных гармоник – малое сопротивление, сравнимое с коротким замыканием, что определяет малую амплитуду высших гармоник в выходном напряжении.

 

1.2. Принципиальная схема замещения для первой гармоники резонансного усилителя

 

Рисунок 1

  Если не учитывать обратной реакции выходного напряжения на ток I₁ (внутреннее сопротивление транзистора R _i >> Z_экв), то¹

 

,  , ,

 ,

где  Z_экв  - эквивалентное сопротивление контура.

Введем среднюю крутизну характеристики для первой гармоники:

,  

причем 

 

Рисунок 2

 

При учете выходного напряжения на ток (конечность R_i) часть тока ответвляется и мы получим:

    , где   есть внутренняя проводимость нелинейного элемента, приведенная к току первой гармоники. Заменяя здесь получим

Отсюда коэффициент передачи .

Здесь S_cp и R_i^’ зависят от угла отсечки Θ и, следовательно, амплитуды входного напряжения Е. КПД усилителя

U_вых за счет увеличения сопротивления контура может быть доведено до значения, близкого к Е_пит. Отношение  максимально (близко к двум) при малых Θ, однако при этом снижается амплитуда первой гармоники I₁. Практически принимают Θ ≈ π/2, при этом угле α₁, а следовательно и , слабо зависит от Θ, а следовательно, и от амплитуды входного сигнала. В этом случае , При наличии амплитудной модуляции КПД снижается на множитель 1/(1 + M), где М – глубина модуляции. Угловая модуляция на КПД не влияет.

 

1.3. Умножение частоты

 

Наличие в составе тока усилителя, работающего в нелинейном режиме, гармоник, кратных основной частоте возбуждения, позволяет  использовать его в качестве умножителя частоты². Для этого необходимо настроить нагрузочный колебательный контур на частоту выделяемой гармоники. Амплитуды высших гармоник растут при уменьшении угла отсечки.

  , где α_n = I_n/I_m – n-й коэффициент Берга, определяющий I_n при заданном максимальном токе через прибор I_m. Максимум n-го коэффициента Берга α_{n max} достигается при Θ = 2π/3n. Для каждой гармоники вводится своя средняя крутизна

Соответственно, и внутреннее сопротивление

электронного прибора  приводится к используемой гармонике  ,

коэффициент передачи   .

 

1.4. Амплитудная модуляция

 

Модуляция амплитуды высокочастотного колебания может быть достигнута воздействием модулирующего напряжения на нелинейный резонансный усилитель.³

 

          

Рисунок 3

 

На вход нелинейного резонансного усилителя подается сумма сигналов: модулирующее низкочастотное колебание  – U_МОД (сообщение) и высокочастотное несущее колебание с частотой ω₀ от независимого источника (автогенератора)⁴.

     Модулирующее  колебание изменяет положение  рабочей точки на вольт-амперной  характеристике и в результате  изменяется амплитуда несущих  колебаний на выходе.

, (при пренебрежении внутренним сопротивлением R_i , т. к.   ).

Так как изменение U_мод(t) во времени сопровождается изменением угла отсечки Θ и, соответственно, α₁(Θ), то форма I₁(t) отличается от формы еω(t).

 

Рисунок 4

 

Искажения могут быть достаточно малыми при правильном выборе пределов изменения угла отсечки (при Θ≈90о α₁(Θ) изменяется слабо) и работе с не слишком глубокой амплитудной модуляцией (до 40-50 %).

, где I₁ определяется по углам отсечки Q_max и Q_min.

Амплитудная модуляция будет  осуществляться и при степенной  аппроксимации нелинейного элемента, необходимо только чтобы  среднее  положение рабочей точки U₀ находилось на нелинейном участке характеристики. В результате подачи на вход суммы колебаний несущего ω₀ и модулирующего Ω, на выходе кроме этих частот, будут комбинационные частоты ω₀+ Ω и  ω₀-Ω, что и соответствует спектру амплитудно-модулированного сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

1.5 Схемы усилителей

 

Рисунок 5 - Бестрансформаторный выходной каскад на составных БТ, работающий в режиме В

 

Транзисторы работают без смещения на базах, т. е. в режиме В, да к тому же включены по составной схеме.⁵ Нагрузка включена в точке соединения конденсаторы С2, С3, которые образуют искусственную среднюю точку, следовательно, разделительный конденсатор не нужен. Выходные транзисторы включены по схеме с ОК.

Чуть ниже, на рисунке 6 показан довольно неплохой усилитель, несмотря на свою простоту.

Довольно простая схема. Транзисторы VT1, VT2 образуют входной  дифференциальный каскад. На транзисторе VT3 собран усилитель напряжения, в  коллекторной цепи которого включен  источник тока на транзисторе VT4. Он является динамической нагрузкой каскада  на транзисторе VT3. Выходной каскад собран на транзисторах VT8, VT9, предвыходной - на транзисторах VT6, VT7. Выходные транзисторы одного типа проводимости. Транзистор VT5 служит для термокомпенсации режима работы выходного каскада и должен быть закреплен на их радиаторе.

Рисунок 6 - Усилитель мощности с выходным каскадом на квазикомплементарной паре транзисторов

 

Стабилитрон VD1 обеспечивает эмиттерную стабилизацию дифференциального каскада. Конденсатор С2 предотвращает самовозбуждение каскада на транзисторе VT3. Его емкость возможно придется подобрать, хотя вполне достаточно 50-200 пФ. Резистором R5 устанавливают ток покоя выходного каскада в пределах 15-20 мА. Цепь L1R12R13C4 предотвращает самовозбуждение усилителя на высоких частотах. В принципе резистор R12 там не нужен, просто на нём намотана катушка L1, которая может содержать 20-30 витков провода ПЭВ-2 0,8 - 1,2. Резистор R7 образует ООС по постоянному току, резистор R8 и конденсатор С3 - ООС по переменному току. Свойством дифференциального каскада является поддержание близкого к нулевому потенциала постоянной составляющей на выходе усилителя. Если по каким-либо причинам на выходе потенциал станет отличным от нулевого, то это изменение передается через резистор R7 на один из входов дифференциального каскада, и на выходе устанавливается нулевой потенциал.

При указанном на схеме  напряжении питания усилитель отдает в нагрузку сопротивлением 4 Ом мощу в 25 Ватт. Если поднять напряжение питания, можно увеличить выходную мощность. При этом необходимо подобрать транзисторы на соответствующее напряжение. В принципе, усилитель довольно неплохо работал даже в экстремальных ситуациях.

Эту схему можно немного видоизменить. Параметры дифференциального каскада несколько улучшатся, если в его эмиттерную цепь включить источник тока, например, на полевом транзисторе, как показано на рисунке 7.

 

Рисунок 7 - Усилитель мощности с питанием дифференциального каскада от источника тока на полевом транзисторе

 

Все в этой схеме точно  такое же, как и в предыдущей, за исключением эмиттерной стабилизации дифференциального каскада на транзисторах VT1, VT2. Дифференциальный каскад питается от стабилизатора тока на полевом  транзисторе VT3. Это повышает стабильность работы каскада. Есть и ещё один момент: у транзисторных усилителей есть одно такое свойство - переходные процессы в момент включения источника  питания, что проявляется в виде щелчка. Длительность переходных процессов  составляет где-то 1 сек. Для устранения этого нежелательного эффекта применяют  устройства задержки включения громкоговорителей, по сути представляющие собой реле времени с задержкой в 1-2 сек. Применение полевого транзистора даже в дифференциальном каскаде позволяет избежать этого неприятного эффекта, поскольку ПТ обладает более гладкой переходной характеристикой. Причем и в момент выключения щелчков также не будет. Вообще, работа усилителя становится более "мягкой".

Можно пойти ещё дальше, а именно заменить источник тока на транзисторе VT6 таким же, как и  в дифференциальном каскаде. Для  тех, кто в танке, просто убрать резистор R5, диоды VD1, VD2, транзистор VT6 и резистор R8, а вместо них к эмиттеру транзистора VT5 подключить полевой транзистор с резистором соединенные так, как показано на рисунке 7. Ну а если выходной транзистор VT9 заменить его комплементарной парой, то есть транзистором другого вида проводимости (в данном случае транзистором КТ818Г),

Подключив его базу к эмиттеру (а не коллектору) транзистора VT7, выкинув резистор R10, а на его место поставив резистор R11 (коллектор VT7 на минус питания), то получится схема, которая была описана в журнале "Радио" 1979 год (Иваненко В. Усилитель мощности НЧ. - Радио, 1979, № 12, с. 52-53). Вот так из одной схемы сделали другую.

Теперь ещё один вариант  усилителя с дифференциальным каскадом рисунке 8. Он несколько проще предыдущих.⁶

Рисунок 8 - Усилитель мощности с входным дифференциальным каскадом.

Здесь аналогично предыдущим схемам на входе используется дифференциальный каскад. Транзистор VT3 выполняет функции  усилителя напряжения. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают смещение на базах предвыходного  каскада VT4, VT5. Диоды VD3-VD6 предназначены  для защиты выходного каскада  от перегрузок. При перегрузке Диоды VD3-VD6 просто шунтируют эмиттерные переходы выходных транзисторов. В принципе, всё остальное как в предыдущих схемах.

Для стабилизации теплового  режима выходных транзисторов диоды VD1, VD2 необходимо установить на теплоотвод выходных транзисторов. Усилитель при  указанном напряжении питания отдает мощность до 60 Вт на нагрузку 4 Ом.