Меню

Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности это



4. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

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 Iб располагалось на середине этого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора в режиме класса А рабочая точка (Iк0, Uк) 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 KГ≤1%).

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) φост=180°. 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 φост=90° (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1. Режим класс B

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 B значение КПД до 70%. Режим класса В обычно применяется в двухтактных УМ. Основной недостаток УМ класса B — большой уровень НИ (KГ≤10%).

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 Iк (рисунок 4.2), выводящий основную часть рабочей полуволны входного гармонического сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью.

Рисунок 4.2. Режим класс AB

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

В режиме класса C транзистор заперт смещением Uсм (рисунок 4.3), φост=90°, поэтому УМ класса С более экономичны, чем УМ класса В.

Рисунок 4.3. Режим класс C

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).

Рисунок 4.4. Однотактный трансформаторный УМ

Сопротивление нагрузки по переменному току равно:

где n — коэффициент трансформации, n=U1/U2.

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

◆ 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.

Рисунок 4.5. Двухтактный трансформаторный УМ

При работе данного УМ в режиме класса В, цепь резистора Rб2 отсутствует. Трансформатор Tp1 осуществляет согласование входа УМ с источником сигнала, трансформатор Tp2 согласует выходное сопротивление УМ с сопротивлением нагрузки. Трансформатор Tp1 выполняет еще и функции фазоинвертора (см. на рисунке 4.5 фазировку его обмоток).

Читайте также:  Номинальная мощность для режима s1

Усиление сигнала в рассматриваемом УМ происходит в два такта работы устройства. Первый такт сопровождается усилением положительной полуволны гармонического сигнала с помощью транзистора VT2, второй — усилением отрицательной полуволны гармонического сигнала с помощью VT1.

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 2·Eк, что объясняется суммированием Eк и напряжения на секции первичной обмотки Tp2.

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).

Рисунок 4.6. Искажения сигнала в двухтактном трансформаторном УМ

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.

Рисунок 4.7. Структурная схема УМ с использованием ФИ

Здесь ФИ — фазоинверсный каскад предварительного усиления (драйвер), УМ — двухтактный каскад усиления мощности.

В качестве драйвера может использоваться каскад с разделенной нагрузкой (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8. Каскад с разделенной нагрузкой

Можно показать, что при , .

Несмотря на такие достоинства, как простота и малые частотные и нелинейные искажения, каскад с разделенной нагрузкой находит ограниченное применение из-за малого K и разных Rвых, что приводит к несимметричности АЧХ выходов в областях ВЧ и НЧ.

Гораздо чаще применяются ФИ на основе дифференциального каскада (ДК) (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9. Фазоинверсный каскад на основе ДК

ДК будут рассмотрены далее, пока же отметим, что через Rэ будет протекать удвоенный ток покоя транзисторов VT1 и VT2 и, следовательно, номинал резистора Rэ в схеме фазоинверсного каскада уменьшается вдвое по сравнению с расчетом каскада с ОЭ.

При рассмотрении, например, левой половины фазоинверсного каскада видно, что в цепи эмиттера транзистора VT1 (включенного с ОЭ) присутствует Rэ и параллельно ему входное сопротивление транзистора VT2 (включенного с ОБ), RвхОБ≈1/S.

Обычно берут Rэ>>RвхОБ (или заменяют Rэ эквивалентом высокоомного сопротивления в виде источника стабильного тока, который будет рассмотрен в дальнейшем вместе с ДК), поэтому можно подставить вместо Rос в выражение для глубины ПООСТ (см. подраздел 3.2) RвхОБ:

Следовательно, можно считать, что в фазоинверсном каскаде присутствует ПООСТ с глубиной, равной двум. Принимая во внимание, что относительно эмиттера VT2 транзистор VT1 включен по схеме с ОК, нетрудно показать, что при идентичности параметров транзисторов K01K02K/2, т.е. коэффициенты передачи по напряжению плеч фазоинверсного каскада на основе ДК равны половине коэффициента передачи каскада с ОЭ.

Довольно широко применяется ФИ на комплиментарных транзисторах, вариант схемы которого представлен на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10. ФИ на комплиментарных БТ

Использование комплиментарной пары транзисторов VT1 и VT2, имеющих разную проводимость, но одинаковые параметры (например, КТ315-КТ361, КТ502-КТ503, КТ814-КТ815 и др.) позволяет инвертировать фазу входного сигнала на 180° на первом выходе.

Кроме рассмотренных выше каскадов, в качестве фазоинверсных также применяются каскады с ОЭ, включенные согласно структурной схемы, показанной на рисунке 4.11. Отметим, что ФИ, построенный по такой схеме, имеет разбаланс АЧХ и ФЧХ выходов.

Рисунок 4.11. ФИ на основе каскадов с ОЭ

В качестве выходного каскада УМ, подключаемого к выходам ФИ, может использоваться каскад, одна из разновидностей которого приведена на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12. Выходной каскад УМ с ФИ

В данном каскаде возможно использование режимов классов В, АВ, С. К достоинствам каскада следует отнести возможность использования мощных транзисторов одного типа проводимости. При использовании двухполярного источника питания возможно непосредственное подключение нагрузки, что позволяет обойтись без разделительного конденсатора на выходе, который обычно имеет большую емкость и габариты и, следовательно, труднореализуем в микроисполнении.

В целом, в УМ, выполненных по структурной схеме, представленной на рисунке 4.7, не достижим высокий КПД вследствие необходимости применения в ФИ режима класса А.

Читайте также:  Как правильно определить мощность газ

Гораздо лучшими параметрами обладают двухтактные бестрансформаторные УМ, выполненные на комплиментарных транзисторах. Такие УМ принято называть бустерами. Различают бустеры напряжения и тока. Поскольку усиление напряжения обычно осуществляется предварительными каскадами многокаскадного усилителя, а нагрузка УМ, как правило, низкоомная, то наибольшее распространение получили выходные каскады в виде бустера тока.

На рисунке 4.13 приведена схема простейшего варианта бустера тока класса В на комплиментарных транзисторах и двухполярным питанием.

Рисунок 4.13. Токовый бустер класса В

При подаче на вход бустера положительной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT1 и через нагрузку потечет ток. При подаче на вход бустера отрицательной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT2 и через нагрузку потечет ток в противоположном направлении. Таким образом, на будет формироваться выходной сигнал.

Включение транзисторов с ОК позволяет получить малое выходное сопротивление, что необходимо для согласования с низкоомной нагрузкой для передачи в нее максимальной выходной мощности. Большое входное сопротивление позволяет хорошо согласовать каскад с предварительным усилителем напряжения. За счет 100% ПООСН K≈1.

Благодаря использованию двухполярного источника питания возможна гальваническая связь каскада с нагрузкой, что делает возможным применение токовых бустеров в усилителях постоянного тока. Кроме того, это обстоятельство весьма благоприятно при реализации бустера в виде ИМС.

Существенным недостатком рассматриваемого бустера является большие НИ (KГ>10%), что и ограничивает его практическое использование. Свободным от этого недостатка является токовый бустер класса АВ, схема которого приведена на рисунке 4.14.

Рисунок 4.14. Токовый бустер класса АВ

Начальные токи покоя баз транзисторов здесь задаются с помощью резисторов Rб1 и Rб2, а также диодов VD1 и VD2. При интегральном исполнении в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении. Напомним, что падение напряжения на прямосмещенном диоде Δφ≈0,7 В, а в кремниевых ИМС с помощью диодов осуществляется параметрическая термостабилизация (см. подраздел 2.6). Сопротивление Rсогл вводится для лучшего согласования с предыдущим каскадом усилителя.

При положительной полуволне входного гармонического сигнала диод VD1 подзапирается и на базе VT1 будет «отслеживаться входной потенциал, что приведет к его отпиранию и формированию на сопротивлении нагрузки положительной полуволны выходного гармонического сигнала. При отрицательной полуволне входного гармонического сигнала работает VD2 и VT2, и на нагрузке формируется отрицательная полуволна выходного гармонического сигнала.

Для увеличения выходной мощности могут быть использованы бустеры на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона (рисунок 4.15), у которой коэффициент передачи по току равен произведению коэффициентов передачи тока базы транзисторов VT1 и VT2 причем возможна однокристальная реализация данной структуры, например, составной транзистор КТ829.

Рисунок 4.15. Схема Дарлингтона

Из полевых транзисторов в УМ более пригодны МОП-транзисторы с индуцированными каналами n- и p- типа, имеющими такой же характер смещения в цепи затвор-исток, как и у биполярных, но имеющих более линейную входную ВАХ, приводящую к меньшему уровню ВАХ. Схема УМ на ПТ указанного типа приведена на рисунке 4.16.

Рисунок 4.16. УМ на ПТ

В данном каскаде введена положительная ОС по питанию путем включения резистора Rсв последовательно с Rс. В точку a выходное напряжение подается через конденсатор и служит «вольтодобавкой», увеличивающей напряжение питания предоконечного каскада в тот полупериод, в который ток транзистора VT1 уменьшается. Это позволяет снять с него достаточную амплитуду напряжения, необходимую для управления оконечным истоковым повторителем, повышает выходную мощность и КПД усилителя. Аналогичная схема «вольтодобавки» применяется и в УМ на БТ.

Широкое применение находят УМ, у которых в качестве предварительных каскадов применены операционные усилители. На рисунках 4.17а,б приведены соответствующие схемы УМ режимов класса В и АВ.

Рисунок 4.17. УМ на основе операционных усилителей

Данные примеры иллюстрируют еще одно направление в разработке УМ — применение общей ООС, служащей, в частности, для снижения уровня НИ.

Более подробное описание схем УМ содержится в [1,9].

Источник

ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Двухтактные УМ могут быть трансформаторными и бестрансформаторными.

Двухтактный трансформаторный УМпредставляет со­бой два однотактных каскада с общими цепями нулевого потенциала и с общим выходным трансформатором, имею­щим выведенную среднюю точку первичной обмотки. Входные напряжения, поступающие на базы транзисто­ров каждого плеча, должны быть сдвинуты по фазе на 180°, что обеспечивается применением на входе УМ фазо-инверсного каскада или входного трансформатора с вы­водом от середины вторичной обмотки (рис. 6.3, а). Вслед­ствие такого построения входной цепи активные элементы VT1 и VT2 работают поочередно, каждый лишь в течение одного полупериода входного гармонического напряже­ния. На рис. 6.3, б показаны графики напряжений и токов. Через первичную обмотку трансформатора Т2 токи про­текают в каждый полупериод входного напряжения, и ток первичной обмотки i1 = iК1iК2, при гармоническом вход­ном напряжении также оказывается гармоническим.

Рис. 6.3. Схема двухконтактного трансформаторного усилителя (а) и

графики напряжений и токов электродов (б)

В двухтактном усилителе КПД может достигать 78 %, что в 1,5 раза больше максимально возможного КПД в однотактном трансформаторном УМ.

При работе транзисторов двухтактного УМ в режиме В нелинейные искажения оказываются значительными. Это вызвано нелинейностью входных характеристик тран­зисторов. Действительно, согласно рис. 6.4, при отсут­ствии прямого смещения эмиттерных переходов при ма­лых напряжениях UБЭбазовые токи транзисторов VT1 и VT2 практически не изменяются. В результате между

Читайте также:  Производственная мощность предприятия конспект

Рас. 6.4. Графики, иллюстрирующие образование нелинейных искажений типа «ступенька»

положительным и отрицательным полупериодами резуль­тирующего базового тока, протекающего через вторич­ную обмотку входного трансформатора T1, образуется небольшой горизонтальный участок — ступенька. Подоб­ную форму будет иметь и результирующий ток, протекаю­щий через первичную обмотку выходного трансформа­тора Т2. Такие нелинейные искажения называют искаже­ниями типа «ступенька».

Для исключения нелинейных искажений типа «сту­пенька» в усилителе используют режим АВ. С этой целью с помощью делителя R1R2 на базы транзисторов VT1 и VT2 подают небольшое прямое напряжение, как пока­зано на рис. 6.5, а. Благодаря этому рабочая точка каждого транзистора в режиме покоя

Рис. 6.5. Схема двухтактного каскада с элементами, обеспечивающими

устранения нелинейных искажении типа «ступенька» (а) и графики,

поясняющие его работу (б)

оказывается в начале линейного участка входной динамической характеристики (рис. 6.5, б).

Двухтактным трансформаторным УМ присущи те же недостатки, что и однотактным. Поэтому в настоящее время широкое применение получили двухтактные бес­трансформаторные УМ.

Двухтактные бестрансформаторные усилителимогут иметь два раздельных или один общий вход, два или один источник питания.

На рис. 6.6, а представлена схема двухтактного бестрансформаторного УМ с двумя раздельными входами и двумя источниками питания.

Рис. 6.6. Схемы двухтактных бестрансформатормых усилителей

Под действием противо­ фазных входных напряжений транзисторы VT1 и VT2
работают поочередно, и ток через нагрузку протекает в каждый полупериод входных напряжений.

Схема однофазного двухтактного бестрансформатор­ного УМ дана на рис. 6.6, б. Объединение двух входов в один в таком усилителе достигнуто за счет использо­вания в нем комплементарных транзисторов (т. е. тран­зисторов с близкими параметрами, но разной структурой: рпр и прп).

В УМ, показанном на рис. 6.6, в используется один источник питания Еп. Роль второго источника питания выполняет балансирующий конденсатор С. Ток iЭ1про­текающий через открытый транзистор VT1 во время отри­цательного полупериода входного напряжения, заряжает этот конденсатор. Во время положительного полупериода входного напряжения открывается транзистор VT2 и через него протекает ток iЭ2. Так как в это время транзистор VTI закрыт, то в качестве источника питания для VT2 используется заряд балансирующего конденсатора С. При одинаковых параметрах транзисторов VT1 и VT2 токи iЭ1 и iЭ2, протекающие через транзисторы и нагрузку Rн, также одинаковы, и конденсатор С заряжается до поло­вины напряжения источника Еп, т. е. Uc = Еп/2. Так как при открытом транзисторе VT1 напряжения Uc и Еп. вклю­чены встречно, то результирующее напряжение, питающее коллекторную цепь транзистора VT1, также равно Еп/2:

.

Емкость конденсатора С должна быть такой, чтобы его сопротивление для самой низкочастотной спектраль­ной составляющей усиливаемого сигнала было значи­тельно меньше сопротивления нагрузки Rн. Напряжение источника питания во избежание пробоя транзистора VT1 в момент включения выбирают из условия

.

В настоящее время широко применяются следующие типы бестрансформаторных УМ: 1) с параллельным воз­буждением однофазным напряжением одиночных оконеч­ных транзисторов и 2) с параллельным возбуждением однофазным напряжением составных оконечных транзи­сторов.

Схема усилителя 1-го типа показана на рис. 6.7, а. На транзисторе VT1 собран предварительный усилитель, работающий в режиме А.

Рис. 6.7. Схемы бестрансформаторных УМ с одиночными (а) и

состав­ными (б) выходными транзисторами

Коллекторной нагрузкой служит резистор RK. Оконечным каскадом является двухтактный усилитель на транзисторах VT2 и VT3. Благодаря включе­нию резистора R на базах транзисторов VT2 и VT3 созда­ется небольшое прямое смещение, и эти транзисторы работают в режиме АВ. Нелинейные искажения при этом уменьшаются. Вместо резистора R может быть включен полупроводниковый диод в прямом направлении. Приме­нение в качестве резистора R терморезистора или полупроводникового диода обеспечивает хорошую термостабилизацию усилителя.

В течение положительного полупериода входного на­пряжения на коллекторе VT1 формируется отрицательный полупериод, и ток протекает через транзистор VT2 и ре­зистор Rн. Во время отрицательного полупериода входного напряжения транзистор VT3 открывается, a VT2 закры вается, и ток протекает через транзистор VT3 и резистор Rн. Таким образом, за период входного сигнала форми руются положительный и отрицательный полупериоды тока и напряжения в нагрузке.

Недостатком данного усилителя является трудность подбора мощных

рпр- и прп -транзисторов VT2 и VT3 с одинаковыми параметрами Поэтому часто применяется схема бестрансформаторного УМ с парал лельным возбуждением однофазным напряжением состав­ных оконечных транзисторов (рис. 6.7, б). В таком УМ используются мощные выходные БТ одного типа прово­димости. Подобрать близкие по параметрам мощные тран­зисторы одного типа проводимости легче, чем мощные БТ разных типов проводимости.

Контрольные вопросы и задания

1 Вчем преимущества и недостатки усилителя, работающего врежиме B, перед усилителем, работающим в режиме A?

2.С какой целью в однотактных усилителях мощности в качестве
нагрузки применяется трансформатор?

3.Какова причина появления нелинейных искажений типа «ступенька» в двухтактных УМ? Каким способом устраняют эти искажения?

4.В чем преимущества двухтактных бестрансформаторных УМ перед трансформаторными?

5.Почему в усилителях средней и большой мощности в оконечных
каскадах часто применяют не одиночные, а составные транзисторы?

Источник