Следует заметить, что существует возможность коррекции АЧХ (ПХ) в области НЧ (БВ) путем уменьшения емкости . Эффект коррекции объясняется уменьшением глубины ООС в области НЧ (БВ).

Механизм действия ||ООСН в каскаде на ПТ с ОИ (схема не приводится ввиду совпадения ее топологии рисунку 3.5) во многом идентичен только что рассмотренному. Приведем расчетные соотношения для основных параметров каскада на ПТ с ||ООСН:

,

т.к. , .

.

Как правило,  и , тогда

.

,

т.к. чаще всего  .

         Все вышесказанное о влиянии ||ООСН на АЧХ (ПХ) каскада на БТ справедливо и для каскада на ПТ.

         ||ООСН обычно применяют тогда, когда требуется понизить входное сопротивление каскада, что необходимо во входных каскадах УУ, работающих в низкоомном согласованном тракте передачи.

         3.5. Параллельная ООС по току

         На рисунке 3.6 приведена схема двухкаскадного усилителя, охваченного общей параллельной ООС по току (||ООСТ), которая вводится в усилитель путем включения резистора .

 Напряжение ОС снимается с резистора , включенного последовательно с нагрузкой усилителя. Напряжение ОС, пропорциональное выходному току усилителя, образует ток , протекающий через . Во входной цепи УУ происходит алгебраическое сложение токов  и . Поскольку ||ООСТ применяется в основном в усилителях тока, то логично оценить ее воздействие на коэффициент усиления по току:

,

где  - глубина ОС по току.

         Если принять, что  усилителя без ОС велик и источник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление (т.е. представляет собой источник тока), то . Если >>, то . Следовательно, ||ООСТ стабилизирует коэффициент передачи по току УУ.

         Входное сопротивление УУ с ОС определяется способом подачи сигнала ОС во входную цепь, поэтому:

.

         Выходное сопротивление УУ с ОС определяется способом снятия сигнала ОС в выходной цепи, поэтому:

.

Описанный усилитель целесообразно выполнить в виде ИМС с внешней цепью ОС, что позволяет в широких пределах изменять его характеристики.

3.6. Дополнительные сведения по ОС

3.6.1. Комбинированная ООС

В УУ возможно применение различных видов ООС одновременно. Характерным примером в этом отношении является каскад с ОЭ и комбинированной ООС (рисунок 3.7) - ПООСТ за счет  и ||ООСН за счет .

Применение подобной комбинированной ООС (КООС) целесообразно в случае выполнения усилителя в виде гибридно-пленочной ИМС, поскольку резисторы, выполненные по толсто- или тонкопленочной технологии имеют уход параметров в одну сторону (в плюс или минус). Влияние  и , например, на коэффициент усиления противоположны по знаку, поэтому одновременное их уменьшение или увеличение практически не скажется на результирующем коэффициенте усиления.

При приближенном анализе каскада с КООС следует учитывать, что коэффициент усиления будет в основном определяться ПООСТ, а  и -||ООСН, поэтому:

,

,

,

где  .

         Более подробно анализ каскадов с КООС представлен в [8].

         3.6.2. Многокаскадные усилители с ООС

         Для получения ООС в УУ необходимо, чтобы суммарный фазовый сдвиг j, вносимый усилителем и цепью ОС, был равен 180° во всем диапазоне рабочих частот. В многокаскадном усилителе это требование обычно выполняется, строго говоря, только на одной частоте. На остальных частотах, особенно на границах и за пределами полосы рабочих частот АЧХ, j¹180°. Это происходит за счет дополнительных фазовых сдвигов, вносимых реактивными элементами схемы усилителя, причем эти сдвиги будут тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей цепью ООС. При дополнительном фазовом сдвиге 180°, j=360° (баланс фаз), ООС превратится в ПОС, и, если bК>>1 (баланс амплитуд), усилитель превратится в генератор.

         Теоретически одно- и двухкаскадный усилитель с частотно-независимой ООС устойчив при любой глубине ОС, трехкаскадный - при F£9, однако практически, с учетом запаса по устойчивости и возможностью дополнительных фазовых сдвигов, рекомендуют брать F£5 для однокаскадного, F£4 для двух и F£3 для трехкаскадного усилителя, охваченного общей ООС. Не рекомендуется охватывать общей ООС более трех каскадов, если же это необходимо, то возможно использование специальных корректирующих цепей, которые будут рассмотрены в подразделе 6.6.

         3.6.3. Паразитные ОС в многокаскадных усилителях

         Т.к. для различных каскадов многокаскадного усилителя обычно применяют один и тот же источник питания, то из-за наличия его внутреннего сопротивления  (рисунок 3.8) в усилителе возникают паразитные (нежелательные) ОС. Переменная составляющая тока каскадов (преимущественно оконечного) создает на переменную составляющую , которая поступает в цепи питания предыдущих каскадов и тем самым замыкает сразу несколько петель паразитных ОС, что может привести к самовозбуждению.

         Для недопущения самовозбуждения необходимо, чтобы петлевое усиление bК<1 (если принять запас устойчивости в два раза, то bК<0,5). При уменьшении запаса устойчивости возможно увеличение неравномерности АЧХ и ФЧХ из-за увеличения глубины паразитной ПОС . Полагая, что неравномерность АЧХ усилителя возрастает приблизительно в  раз и, ограничившись неравномерностью АЧХ порядка 0,5 дБ (1,06 раза), получаем допустимое петлевое усиление любой петли паразитной ОС bК<0,06, т.е. требования к глубине паразитных ОС, вытекающие из условия стабильности характеристик, гораздо жестче, чем из условия стабильности.

Самым эффективным и достаточно простым способом, исключающим сложных стабилизированных источников питания, является применение развязывающих (устраняющих ОС) фильтров, состоящих из  и  и включаемых последовательно или параллельно источнику питания (рисунки 3.8 и 3.9).

Фильтры включаются на пути обратной передачи в петле ОС и создают  делитель   переменного  напряжения,  сопротивления  плеч  которого равны  и  . Ослабление делителем напряжения паразитной ОС на нижней граничной частоте характеризуется коэффициентом развязки

,

откуда

.

Номинал резистора  определяется требуемым напряжением питания предварительных каскадов, которое, как правило, меньше, чем у оконечного.

         Кроме ослабления паразитных ОС, развязывающие фильтры  одновременно сглаживают пульсации напряжения питания с частотой 50 и 100 Гц, если усилитель питается от сетевого выпрямителя. Уровень напряжения на выходе усилителя задают, исходя из требования, чтобы в любой точке УУ амплитуда напряжения фона, добавляющегося к основному сигналу, была бы, по меньшей мере, в (2…3)D раз меньше максимальной амплитуды последнего, D - динамический диапазон УУ.

4. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

         4.1. Общие сведения

         Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей УМ является выделение в нагрузке возможно большей мощности сигнала, усиление напряжения в нем является второстепенным фактором.

         Основными задачами при проектировании УМ являются:

         ¨ обеспечение режима согласования выходного сопротивления УМ с нагрузкой с целью передачи в нагрузку максимальной мощности;

         ¨ достижение минимальных нелинейных искажений сигнала;

         ¨ получение максимального КПД.

         УМ классифицируются по:

         ¨ способу усиления - на однотактные и двухтактные;

         ¨ способу согласования - на трансформаторные и бестрансформаторные;

         ¨ классу усиления - на классы A, B, AB, C, D.

         В качестве методов проектирования могут применяться:

         ¨ графоаналитические (построение ДХ и т.д.);

         ¨ по усредненным параметрам.

         4.2. Классы усиления

         Для всех рассмотренных ранее усилительных каскадов предполагалось. Что они работают в режиме класса А. Выбор рабочей точки покоя, например для БТ, (см. рисунок  2.10) производится таким образом, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора, а значение  располагалось на середине этого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора в режиме класса А рабочая точка () располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не  выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. Поскольку режим А характерен работой транзисторов на почти линейных участках своих ВАХ, то УМ в этом режиме будет иметь минимальные НИ (обычно ).

         При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии, следовательно, угол отсечки (половина времени за период, в течение которого транзистор открыт) . Потребление мощности источника питания происходит в любой момент, поэтому каскады, работающие в режиме класса А, характеризуются невысоким КПД (в идеале - 50%, реально - (35…45)%). Режим усиления класса А в УМ применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные НИ, а мощность и КПД не имеют решающего значения.

         Более мощные варианты выходных каскадов работают в режиме класса В, характеризующегося  (рисунок 4.1).

         В режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания, а открывается только в течение половины периода входного сигнала. Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в УМ класса В значение КПД до 70%. Режим класса В обычно применяется в двухтактных УМ. Основной недостаток УМ класса В - большой уровень НИ ().

         Режим класса АВ занимает промежуточное значение между режимами класса А и В и применяется в двухтактных УМ. В режиме покоя через транзистор протекает небольшой ток покоя (рисунок 4.2), выводящий основную часть рабочей полуволны входного гармонического сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью.

Угол отсечки в режиме класса АВ достигает (120…130)°, КПД и НИ - средние между значениями для режимов классов А и В.

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

 Однако в режиме класса С велики НИ, поэтому класс С применяется, в основном, в генераторах и резонансных усилителях, где высшие гармонические составляющие отфильтровываются резонансным контуром в цепи нагрузки.

         В мощных усилителях - преобразователях находит применение режим класса D или ключевой режим работы усилительных элементов. Данный режим, в сочетании с широтно-импульсной модуляцией, позволяет мощные экономичные УМ, в т.ч. и для систем звуковой трансляции.

         Таким образом, активный элемент в УМ может работать как без отсечки тока (класс А), так и с отсечкой (классы АВ, В, С, D). Класс усиления задается положением рабочей точки в режиме покоя.

         4.3. Однотактные УМ

         В качестве однотактных бестрансформаторных УМ могут быть применены уже рассмотренные каскады с ОЭ (ОИ) и ОК (ОС), выполненные на мощных БТ или ПТ, причем эмиттерный (истоковый) повторитель эффективен при низкоомной (порядка единиц ом) нагрузке. Основной недостаток таких каскадов - в режиме согласования с нагрузкой КПД£25%.

         Однотактные трансформаторные УМ имеют КПД£50% за счет оптимального согласования с нагрузкой с помощью трансформатора (рисунок 4.4).

         Сопротивление нагрузки по переменному току равно:

,

где n - коэффициент трансформации, .

         Данный каскад находит ограниченное применение в современной схемотехнике УМ из-за ряда существенных недостатков:

         ¨ малого КПД;

         ¨ больших частотных искажений за счет трансформатора;

         ¨ больших НИ за счет тока подмагничивания трансформатора;

         ¨ невозможности реализации в виде ИМС.

         Трансформаторные УМ подробно описаны в классических учебниках по УУ, например, в[5,6].

         4.4. Двухтактные УМ

         Двухтактные УМ ввиду возможности использования режимов АВ, В, С и D характеризуются лучшими энергетическими показателями. На рисунке 4.5 приведена схема двухтактного УМ с трансформаторной связью.

         При работе данного УМ в режиме класса В, цепь резистора  отсутствует. Трансформатор  осуществляет согласование входа УМ с источником сигнала, трансформатор  согласует выходное сопротивление УМ с сопротивлением нагрузки. Трансформатор  выполняет еще и функции фазоинвертора (см. на рисунке 4.5 фазировку его обмоток).

         Усиление сигнала в рассматриваемом УМ происходит в два такта работы устройства. Первый такт сопровождается усилением положительной полуволны гармонического сигнала с помощью транзистора , второй - усилением отрицательной полуволны гармонического сигнала с помощью .

         Графический и энергетический расчет двухтактного трансформаторного УМ двухтактного достаточно полно представлены в классических учебниках по усилительным устройствам, например, [5,6]. Энергетический расчет показывает, что КПД  такого УМ реально достигает порядка 70%, что примерно в 1,5 раза больше чем у однотактных УМ.

         При выборе типа для УМ следует учитывать то обстоятельство, что на коллекторе закрытого транзистора действует напряжение, равное примерно , что объясняется суммированием  и напряжения на секции первичной обмотки .

         Вследствие того, что каждый транзистор пропускает ток только для одной полуволны гармонического сигнала, режим класса В характеризуется лучшим использованием транзистора по току.

         Поскольку токи в секциях обмоток трансформаторов протекают в разных направлениях, отсутствует подмагничивание их сердечников. Отметим так же, что в двухтактном УМ исключена (при симметрии плеч УМ) паразитная ОС по источнику питания и в выходном сигнале отсутствуют четные гармонические составляющие.

         Как уже отмечалось выше, отсутствие тока покоя в УМ класса В приводит к появлению значительных НИ. Вследствие нелинейности входных ВАХ, выходной сигнал в двухтактном УМ класса В имеет переходные искажения типа "ступеньки" (рисунок 4.6).

         Уменьшение НИ возможно путем перехода к режиму класса АВ (см. рисунки 4.2 и 4.6). Т.к. токи покоя в режиме класса АВ малы, то они практически не влияют на энергетические показатели УМ.

         Поскольку трансформатор является весьма "неудобным" элементом при выполнении УМ в виде ИМС и вносит существенные искажения в выходной сигнал усилителя, УМ с трансформаторами находят ограниченное применение в современной схемотехнике УУ.

         В современной электронике наиболее широко применяются бестрансформаторные двухтактные УМ. Такие УМ имеют хорошие массогабаритные показатели и просто реализуются в виде ИМС.

         Возможно построение двухтактных бестрансформаторных УМ по структурной схеме, показанной на рисунке 4.7.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14