Усилители мощности. Усилители мощности представляют собой самостоятельную группу электронных устройств, обладающих особыми свойствами: они могут усиливать и ток и напряжения для

Усилители мощности представляют собой самостоятельную группу электронных устройств, обладающих особыми свойствами: они могут усиливать и ток и напряжения для получения на нагрузке необходимой мощности, а также обладают выходным сопротивлением, согласованным с сопротивлением приемника электрической энергии.

Выходное сопротивление усилительного каскада, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером (или общим истоком) составляет сотни Ом или единицы кОм, тогда как сопротивление нагрузочного устройства, потребляющего большую мощность, составляет единицы-десятки Ом. При таком соотношении сопротивлений мощность выделяемая на нагрузочном устройстве определяется формулой

, (42)

которая следует из анализа эквивалентной схемы, рис.57.

Рис.57. Эквивалентная схема передачи электроэнергии от усилителя к приемнику; U_K – усиленное коллекторное напряжение, R_ВНУТ – выходное (внутреннее) сопротивление усилительного каскада, R_ПР – сопротивление приемника электрической энергии.

Определение экстремума функции (1) позволяет найти оптимальное отношение R_ВНУТ/ R_ПР, при котором на приемнике электрической энергии будет выделяться максимальная мощность. Оптимальное отношение R_ВНУТ/ R_ПР = 1.

Для согласования сопротивлений нагрузочного устройства с выходным сопротивлением усилителя мощности служат понижающие трансформаторы, рис.58, у которой приведенное к первичной обмотке трансформатора сопротивление нагрузочного резистора равно:

, (43)

где w₁, w₂ – числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно.

При определенном коэффициенте трансформации трансформатора можно добиться равенства , т.е. выполнения условия получения максимальной мощности в приемнике электрической энергии. Это будет при

Для получения усиления мощности с наименьшими нелинейными искажениями и наибольшим КПД используют двухтактные схемы включения каскадов.

Двухтактный усилитель мощности состоит из двух симметричных плеч, рис.3.

Рис.58. Схема двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах

В первый полупериод при положительном потенциале в точке а относительно точки b в точке с знак потенциала отрицательный. Транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 – открыт. Через него протекает ток по цепи +Е_К – эмиттер VT2 – коллектор VT2 – точка f – точка е - -Е_К. Во второй полупериод открыт VT1 и закрыт VT2. Теперь ток протекает по цепи +Е_К – эмиттер VT1 – коллектор VT1 – точка d – точка е - -Е_К. Таким образом на вторичной обмотке выходного трансформатора образуются двухполупериодное напряжение и ток через приемник. Резисторы R1 и R2 задают начальное смещение на базах транзисторов режима В.

Недостатком такой схемы является необходимость использования двух трансформаторов со средней точкой и транзисторов с идентичными параметрами для выполнения условия симметричности плеч.

Более совершенным и экономичным является бестрансформаторный усилитель мощности, рис.59.

Рис.59. Схема бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности.

Транзисторы в этом типе усилителя мощности имеют различную технологическую структуру: VT1 – p-n-p, а VT2 – n-p-n. Нагрузочное сопротивление R_ПР подключено к общей точке соединения эмиттеров транзисторов VT1 и VT2, которые работают в режиме с общим коллектором. Поэтому происходит согласование сопротивлений нагрузки и внутреннего сопротивления усилителя, так как у усилителей, в которых транзистор включен по схеме с общим эмиттером, выходное сопротивление (внутреннее сопротивление усилителя) составляет несколько десятков Ом.

На базы транзисторов VT1 и VT2 воздействует потенциал одного и того же знака. А так как транзисторы различной технологической структуры, то они открываются в разные полупериоды входного напряжения и через нагрузку протекает ток одного направления, а результирующий ток в два раза превышает переменный ток одного транзистора.

Основной недостаток бестрансформаторного усилителя – трудность подбора пары транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами.

Рис.60. Бестрансформаторный усилитель мощности с источниками питания разной полярности

Представленная на рис.60 схема бестрансформаторного усилителя мощности позволяет получать на нагрузке напряжение и ток разной полярности и направления. В положительный полупериод открыт транзистор VT2 и ток через нагрузку течет от +Е_К через транзистор VT2. В отрицательный полупериод открыт транзистор VT1 и ток через нагрузку течет в обратном направлении. При правильном выборе режима покоя напряжение на нагрузке и ток через нее равны нулю.

Существуют и другие типы схем усилителей мощности. В данном разделе представлены лишь их типовые варианты.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционный усилитель (далее ОУ, усилитель) представляет собой аналоговый электронный микроприбор с дифференциальным входом, предназначенный для усиления и генерации электрических сигналов, реализации математических операций в аналоговой форме, создания электрических фильтров и пороговых устройств, т.е. для выполнения различных операций с электрическими сигналами.

Внутренне устройство операционного усилителя изображено на рис. 61. Входной блок представляет собой дифференциальный усилитель (ДУ), который может состоять из 3-4-х каскадов. Для создания большого внутреннего коэффициента усиления применяется блок усилителя напряжения (УН). В качестве выходного блока обычно используется усилитель мощности (УМ), выполненный по бестрансформаторной схеме.

Рис.61. Блок-схема операционного усилителя

ОУ имеет два входа и один выход. Один из входов ОУ называется инвертирующим, т.к. при подаче на него напряжения знак его на выходе становится противоположным. Другой вход называется неинвертирующим: при подаче на него напряжения знак его на выходе не меняется. Такое состояние ОУ возможно вследствие питания от двух источников напряжения с различными знаками. Вследствие этого выходной блок ОУ при определенных условиях имеет виртуальный нулевой потенциал, относительно которого знак потенциала (напряжения на выходе) может меняться в ту или другую сторону относительно общего вывода. Как и в любом усилительном устройстве ОУ может быть охвачен обратной связью (ОС).

ОУ в зависимости от режима работы характеризуется либо статическими, либо динамическими параметрами.

К основным статически параметрам ОУ относятся:

1. Коэффициент усиления К₀. Его значение может быть 3×10³- 3×10⁵ (70..110 дб).

2. Единичная полоса частот f¹ – верхняя частота, при которой коэффициент усиления спадает до единицы. Величина f¹ у ряда ОУ достигает 1.5×10⁷ Гц.

3. Напряжение смещения нуля U_СМ – разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами, которую нужно приложить, чтобы напряжение на выходе было равно нулю. Эта разность потенциалов у операционных усилителей составляет 0.001-10 мВ, в зависимости от их качества.

4. Входные токи смещения и - токи неинвертирующего входа и инвертирующего входа соответственно при их заземлении. Величинва этих токов порядка десятых- тысячных долей микроампера. У современных ОУ этот параметр может быть 10^-14-10^-15 А.

5. Средний входной ток смещения - половина суммы входных токов смещения.

6. Разностный входной ток смещения DI_СМ – разность модулей входных токов смещения.

К основным динамическим параметрам ОУ относятся:

7. Скорость нарастания выходного напряжения - отношение приращения напряжения на выходе ОУ к интервалу времени, за которое наблюдается это приращение. Величина этого параметра составляет 0.1-100 В/мкс.

8. Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений М_СФ – отношение приращения синфазных входных напряжений к входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения. Современные ОУ имеют М_СФ =70-120 дб.

В операционных усилителях входной каскад выполняется по дифференциальной схеме с однофазным выходом, рис.62. На этом рисунке приведена упрощенная схема типового дифференциального каскада, выполненного на двух комплементарных парах взаимно согласованных биполярных транзисторов. При идеальном согласовании характеристик пар транзисторов такой каскад практически нечувствителен к синфазному сигналу (сигналу наводок, поступающему с одинаковой фазой на оба входа) и формирует нулевой выходной сигнал при нулевом входном дифференциальном сигнале.

Если применять входные полевые транзисторы, то входные токи будут иметь малую величину.

Рис.62. Схема дифференциального каскада операционного усилителя

Условные графические обозначения (УГО) операционного усилителя (ОУ) показаны на рис. 63.. На Рис. 63,а представлено полное, а на Рис.63,б – упрощенное обозначение ОУ.

а б

Рис.63 Условное графическое обозначение операционного усилителя а - полное; б - упрощенное

Входы изображают слева, выходы - справа. Выводы, предназначенные для подключения источника питания (+U,-U), цепей компенсации напряжения смещения (NC) и частотной коррекции (FC) изображают в зонах дополнительных полей с любой стороны УГО.

Для удобства анализа принципа работы ОУ в различных схемах пользуются понятием идеального ОУ. Идеальным ОУ называется ОУ, у которого дифференциальное напряжение на входах DU всегда поддерживается равным нулю автоматически самим ОУ при наличии цепи ОС по инвертирующему входу (это справедливо, когда U_СМ =0), входной ток , полоса частот при единичном коэффициенте усиления f¹ =0..¥, выходное сопротивление равно нулю, R_вых =0.

Из приведенных свойств параметров идеального ОУ следует, что потенциалы инвертирующего j^_ и неинвертирующего j⁺ входов равны: j^_=j⁺, а ток через входные элементы равен току в цепи обратной связи.

Далее будут рассмотрены различные электронные схемы, в которых используется операционный усилитель для реализации усилителя постоянного и переменного токов, усилителя, выполняющего операции аналогового сложения и вычитания, дифференциатора и интегратора, генератора электрических сигналов различной формы, электрических активных фильтров, пороговых устройств (компараторов).

Дата добавления: 2015-05-06