Усилители мощности

Усилитель постоянного тока. Определение. Схема и принцип действия дифференциального УПТ.

Классы усиления. Амплитудно- частотная характеристика

Усилитель напряжения на биполярном транзисторе. Схема и принцип действия. Температурная стабилизация.

Усилители на биполярных транзисторах

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой (рис. 5.6; 5.9), с общим эмиттером (рис. 5.7; 5.10), с общим коллектором (рис. 5.8; 5.11).

На рисунках 5.6-5.8 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 5.9-5.11 – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Усилители в схеме включения транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

Сравнительные характеристики усилителей приведены в таблице:

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
коэффициент усиления по току	Десятки-сотни	Немного меньше единицы	Десятки-сотни
коэффициент усиления по напряжению	Десятки-сотни	Десятки-сотни	Немного меньше единицы
коэффициент усиления по мощности	Сотни- десятки тысяч	Десятки-сотни	Десятки-сотни
Входное сопротивление	Сотни ом – единицы килоом	Единицы- десятки ом	Десятки – сотни килоом
Выходное сопротивление	Единицы – десятки килоом	Сотни килоом – единицы мегаом	Сотни ом – единицы килоом

Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером (рис. 5.2 б). Такая простая схема усилителя используется очень редко. Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы коллекторной (рис. 5.12, 5.13) и эмиттерной (рис. 5.14, 5.15) стабилизации режима работы транзистора.

Коллекторная температурная стабилизация режима работы транзистора по схеме рисунка 5.12 используется редко, так как кроме температурной стабилизации происходит уменьшение коэффициента усиления за счет отрицательной обратной связи по переменному току. Устранить отрицательную обратную связь по переменному току позволяет конденсатор С1 в схеме, приведенной на рисунке 5.13. Такая стабилизация используется, например, в антенных усилителях для телевизионного приема.

Как в промышленных, так и в радиолюбительских конструкциях широко применяется эмиттерная температурная стабилизация режима работы транзистора. На рисунках 5.14 и 5.15 приведены схемы однокаскадных усилителей на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p типов с эмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора.

Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 5.14. Постоянный ток делителя напряжения протекает по цепи: плюс источника питания, резисторы R1, R2, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, резистор R_э, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R_К, выводы коллектор-эмиттер транзистора, резистор R_э, минус источника питания. Биполярный транзистор в составе усилителя работает в режиме, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном. Поэтому постоянное напряжение на резисторе R2 будет равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1 и напряжения на резистореR_э: U_R2=U_бэ+U_Rэ. Отсюда следует, что постоянное напряжение на переходе база-эмиттер будет равно U_бэ= U_R2 - U_Rэ.

Пусть температура окружающей среды увеличивается. В результате этого увеличиваются постоянные токи базы, коллектора и эмиттера, т.е. изменяется рабочая точка транзистора. Ток делителя напряжения на резисторах R1, R2 выбирают значительно больше тока базы транзистора. Поэтому напряжение на резисторе R2 при изменении температуры остается практически неизменным (сопротивление резистора от температуры не зависит), а напряжение на резисторе R_э с увеличением температуры увеличивается за счет увеличения тока эмиттера при неизменном сопротивлении резистора в цепи эмиттера. В результате этого напряжение база-эмиттер уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы, а, следовательно, и силы тока коллектора. Таким образом, рабочая точка транзистора будет стремиться к исходному состоянию. Наличие резистора в цепи эмиттера приводит к появлению отрицательной обратной связи как по постоянному, так и по переменному токам. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору R_э подключают конденсатор. Емкость конденсатора С_э выбирают так, чтобы его сопротивление переменному току на самой низкой частоте усиливаемого сигнала было значительно (примерно в десять раз) меньше сопротивления резистора в цепи эмиттера.

В усилителях низкой частоты на биполярных транзисторах применяются разделительные конденсаторы большой емкости. Это, как правило, электролитические конденсаторы, при подключении которых в электрическую цепь необходимо соблюдать полярность. Если источник усиливаемого сигнала не имеет постоянной составляющей и к выходу усилителя подключается нагрузка, не имеющая постоянного напряжения на своих зажимах, то полярность конденсаторов при использовании транзисторов n-р-n типа должна быть такой, как показано на рисунке 5.14, а для транзистора р-n-р типа - на рисунке 5.15 (изменяется полярность включения источника питания и полярность подключения конденсаторов). Емкость разделительного конденсатора (конденсатор на выходе усилительного каскада) выбирают такой, чтобы его сопротивление было много меньше входного сопротивления следующего усилительного каскада, или много меньше сопротивления нагрузки на самой низкой частоте усиливаемого сигнала.

В последнее время широко применяются двухкаскадные усилители с непосредственной связью между транзисторами (рис. 5.16). Такие усилители применяются в качестве входных усилителей низкой частоты, в качестве антенных усилителей телевизионного сигнала и др. В этих усилителях обеспечивается температурная стабилизация режима обоих транзисторов. Рассмотрим цепи, по которым протекают постоянные токи. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по следующим цепям: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор R2, переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания; плюс источника питания, резистор R_к, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор R2,

переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор R_э, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R_к, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор R_э, общий провод, минус источника питания.

При увеличении температуры увеличивается ток базы первого транзистора. Это приведет к увеличению тока коллектора этого транзистора и уменьшению напряжения между коллектором первого транзистора и общим проводом. В результате уменьшится ток базы второго транзистора, что приведет к уменьшению тока коллектора второго транзистора. Напряжение на резисторе Rэ уменьшится, и ток базы первого транзистора будет стремиться к своему первоначальному значению.

Входные цепи чувствительного усилителя низкой частоты обязательно выполняются экранированным проводом, причем экран соединяется с корпусом усилителя в одной точке. От выбора этой точки зависит уровень мешающих напряжений.

КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

В процессе работы транзисторного усилительного каскада напряжение и ток на его входе изменяются по закону изменения усиливаемого сигнала. Если транзистор все это время находится в активном режиме, то данные изменения передаются на выход и в усиленном виде повторяются в выходном сигнале каскада. Однако сами колебания входного сигнала (например, гармонического) могут периодически выводить транзистор из активного режима в режим насыщения или отсечки в зависимости от того, каков точный уровень напряжения и тока на входе в каждый конкретный момент времени. Может показаться, что указанные колебания режимов совершенно бесполезны в реальных схемах и их нужно всячески избегать, но это не так. Существуют схемы, в которых необходимо обеспечить усиление сигнала только при условии, что его мгновенное значение лежит выше или ниже некоторого порога. Иногда эти схемы комбинируются так, чтобы каждая отвечала за свой диапазон значений входного сигнала, а на выходе многокаскадного усилителя восстанавливается полный усиленный сигнал (например, двухтактные усилители мощности). За счет такого включения становится возможным существенно повысить общий КПД усилительной схемы.

Чтобы различать динамику изменений режимов работы транзистора (а это имеет значение при расчете их энергопотребления и тепловыделения) вводится понятие класса усиления. Различают пять основных классов усиления, которые обозначаются прописными латинскими буквами: A, B, AB, C, D.

Класс усиления A. При работе в данном классе усиления транзистор все время находится в активном режиме. Колебания переменного сигнала на его входе никогда не должны выводить транзистор в режим насыщения или отсечки, т.е. их амплитуда ограничена некоторой областью, определяемой электрическими характеристиками конкретного транзистора, напряжением питания и начальным постоянным смещением на входе каскада. Заметим, что постоянное протекание значительных токов через транзистор приводит, во-первых, к большому энергопотреблению, а во-вторых, к разогреву полупроводниковой структуры (итоговый КПД каскада усиления в классе A теоретически не может превышать 50%, а реальные его значения и того ниже). Это является неизбежной платой за высокую линейность усиления, достижимую в классе A.

Класс усиления B. Предполагает, что транзистор находится в активном режиме, т.е. усиливает входной сигнал только половину периода его действия. Вторую половину периода изменения напряжения входного гармонического сигнала транзистор находится в режиме отсечки. Основными достоинствами класса B являются: высокий КПД (до 70%) и малая мощность тепловых потерь, рассеиваемых в транзисторе, что крайне важно для усилителей большой и средней мощности. Однако у усилителей в классе B есть и существенный недостаток — большой уровень нелинейных искажений, что вызвано повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.

Класс усиления AB. Данный класс усиления является промежуточным между классами A и B. В этом случае транзистор также переключается между режимом отсечки и активным режимом, но преобладающим является все-таки именно активный режим. Незначительное понижение КПД усилительного каскада в классе AB компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений при усилении одного из полупериодов входного сигнала. Схемы усилителей мощности строятся так, что участок со значительными нелинейностями, когда транзистор переходит из режима отсечки в активный режим и наоборот, просто не оказывает влияния на выходной сигнал.

Класс усиления C. В классе усиления C транзистор большую часть периода изменения напряжения входного сигнала находится в режиме отсечки, а в активном режиме — меньшую часть. Этот класс часто используется в выходных каскадах мощных резонансных усилителей (например, в радиопередатчиках).

Класс усиления D. Предназначен для обозначения ключевого режима работы, при котором биполярный транзистор может находиться только в двух устойчивых состояниях: или полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (режим отсечки).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя определяет зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Примерный вид АЧХ усилителя показан на рис.1.2. За коэффициент усиления К0 принимают максимальное значение коэффициента на так называемой "средней" частоте. Две характерные точки на АЧХ определяют понятие "полоса пропускания" усилителя. Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в раз (или на 3дб) называются граничными частотами. На рис. 1.2 f1 является нижней граничной частотой fН, а f2 – верхней граничной частотой усиления (fВ). Разность: f = fВ – fН

называется полосой пропускания усилителя, которая определяет рабочий частотный диапазон усилителя.

В общем АЧХ показывает, как изменяется амплитуда выходного сигнала при неизменной амплитуде входного сигнала в частотном диапазоне, при этом считается, что форма сигнала не изменяется. Для оценки изменения коэффициента усиления с изменением частоты вводится понятие частотных искажений

МН = МВ = . Частотные искажения относятся к разряду линейных, т.е. появление которых не приводит к искажению формы исходного сигнала.

По виду АЧХ усилители можно разделить на несколько классов.
Усилители постоянного тока: fН = 0Гц, fВ = (1033 - 1088) Гц;
Усилители звуковой частоты: fН = 20 Гц, fВ = (15 - 20) · 10Гц;
Усилители высокой частоты: fН = 20*103 Гц, fВ = (200 - 300) · 1033 Гц.
Узкополосные (избирательные) усилители. Отличительной особенностью последних является то, что они, практически, усиливают одну гармонику из всего спектра частот сигнала и у них отношение верхней и нижней граничных частот составляет:

Рисунок 1. 2- АЧХ усилителя

Амплитудная характеристика усилителя отражает особенности изменения величины выходного сигнала при изменении входного.

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

Одним из возможных путей уменьшения дрейфа нуля является использование дифференциальных усилителей.

Амплитудно – частотная характеристика. Дрейф нуля.

Дата добавления: 2015-05-06