Режимы работы усилительных каскадов

Усилитель мощности

Выходной ток интегральных операционных усилителей обычно составляет не более 20 мА. Существует много способов, с помощью которых можно без особых затрат увеличить этот ток приблизительно в 10 раз.

Для этого можно применить, например, мощные выходные каскады. Для низкочастотных входных сигналов можно использовать двухтактные эмиттерные повторители в режиме В (см. рис.1). При положительных входных сигналах транзистор VT1работает как эмиттерный повторитель, а транзистор VT2 заперт. При отрицательных входных напряжениях – наоборот. Таким образом транзисторы работают попеременно, каждый в течении одного полутериода входного напряжения. При Uвх=0 оба транзистора заперты; следовательно, схема имеет малый ток покоя. Ток, потребляемый как от положительного, так и от отрицательного источника напряжения равен току в нагрузке. Поэтому схема обладает существенно более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с обычным эмиттерным повторителем. Еще одно различие состоит в том, что выходное напряжение при любой нагрузке может достигать ±U, поскольку транзисторы не ограничивают выходной ток. Таким образом, в схеме не требуется согласования нагрузки, и максимальная мощность на выходе определяется лишь предельным током и максимальной мощностью рассеивания используемых транзисторов.

Как уже отмечалось выше, в каждый момент времени открыт только один транзистор. Однако это справедливо только для частот входного сигнала, не превышающих частоту пропускания используемых транзисторов. Из открытого состояния в закрытое транзистор переходит за определенный промежуток времени. Если длительность колебаний входного напряжения меньше этого промежутка времени, оба транзистора могут оказаться открытыми одновременно. При этом через открытые транзисторы от источников питания будет течь большой ток, который может привести к мгновенному разрушению транзисторов. Колебания с такой критической частотой могут возникнуть также в усилителях, охваченных обратной связью, или даже тогда, когда нагрузка эмиттерного повторителя носит емкостный характер. Для защиты транзисторов следует предусмотреть ограничение тока.

Тепловое сопротивление показывает, на сколько градусов по Цельсию увеличится температура кристалла при подведении к нему мощности в 1 Вт.

, где Р – мощность.

К U tu max, Pu max

Uкэ

Б пост. ток

Для выравивания Э

0 I
область безопасной

работы.

Существует четыре режима усиления:

1. активный (усилительный): переход Э-Б приоткрыт, включен в прямом направлении; К-Б закрыт, включен в обратном направлении. Большой. Основной режим работы.

2. инверсный: эмиттерный переход закрыт (включен в обратном направлении), коллекторный открыт (в прямом направлении), имеет малый коэффициент усиления вследствие слабой степени легирования коллектора, малое пробивное напряжение, т.к. высокая степень легирования эмиттера, используется редко в ключевых схемах, ТТЛ – логике. Используется редко в низковольтных и переключательных схемах. Большое быстродействие.

3. насыщения: Э и К переходы открыты.

4. отсечки: оба перехода закрыты.

Режимы насыщения и отсечки используются в ключевых устройствах с целью увеличения КПД до 90-98% и уменьшения рассеиваемой мощности. В режиме отсечки практически нет токов, в режиме насыщения очень малое напряжение (< 1В).

Классы усиления сигнала

В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора различают А, В, АВ, С, Д классы усилений.

Класс А:

В этом режиме рабочая точка находится на середине квазилинейного участка проходной характеристики. В этом режиме обеспечиваются минимальные нелинейные искажения (<1%), но он имеет низкий КПД (менее 50% для синусоидального сигнала) и высокие потери мощности в режиме отсутствия сигнала.

Используется: 1) в усилителях напряжения, где КПД низкий и большие потери мощности в режиме покоя являются несущественными (мощности маленькие, т.к. усилиетли чаще всего входные и промежуточные);

2) В усилителях мощности сверхвысокого качества, где существенным приоритетом обладают высокая линейность усилителя.

Класс В:

В этом режиме рабочая точка находится в начале проходной характеристики U_бэ = 0.

Достоинства: достаточно высокий КПД (до 78% при усилении синусоидального сигнала), отсутствие потерь мощности в режиме покоя.

Недостатки: высокие нелинейные искажения.

Применение: 1) в усилителях мощности невысокого качества и высокой экономичности при наличии глубокой ООС(которая уменьшает искажения)

2) в выходных каскадах ОУ и там, где нелинейные искажения не играют роли.

Класс АВ:

В этом режиме рабочая точка находится в начале квазилинейного участка проходной характеристики. Положение ее может регулироваться. Чем левее мы ее выбираем, тем меньше Кг, но ниже КПД и выше потери в режиме покоя.

Достоинства: 1) Имеет высокий КПД (60-65%);

2) невысокие потери мощности в режиме покоя

3) относительно невысокие нелинейные искажения(<3%).

Недостатки: 1) необходима схема поддержания начального тока коллектора;

2) необходимо принятие специальных мер для ослабления влияния температурной положительной ОС в БПТ.

Используется в усилителях мощности среднего и

высокого качества, охваченных цепями ОС.

Класс С:

В этом режиме транзистор заперт напряжением смещения на базе и находится в режиме отсечки, т.е. рабочая точка находится левее нуля (в отрицательной области). Транзистор надёжно закрыт обратным смещением.

КПД более высокий чем в режиме В (≈90%), отсутствуют потери мощности в режиме покоя, но очень высокие нелинейные искажения (до 20%).

Используется: 1) в устройствах, где существенны даже незначительные увеличения КПД (в мощных радиопередающих устройствах), а подавление высших гармоник осуществляется выходным высокодобротным колебательным контуром.

2) в усилителях, где нелинейные искажения не играют роли, в СВЧ-печах.

Класс Д (ключевой режим):

В этом режиме транзистор либо закрыт, либо открыт. Это импульсный режим работы транзистора. Рабочая точка может находиться как в начале координат, так и левее (с целью уменьшения времени запирания транзисторов).

Достоинства: 1) очень высокий КПД (стремится к 100%), что обусловлено малыми потерями в отсечке и насыщении и их возрастанием только при переключении режимов.

2) время переключения можно уменьшать.

3) потери мощности в режиме покоя отсутствуют.

4) нелинейные искажения чаще всего не играют роли, т.к. усилители не звуковые, а аналоговые.

Применение: 1) ключевые усилители импульсных источников питания;

2) в преобразователях напряжения;

3) в звуковых усилителях сверхвысокой мощности после подавления и сглаживания высокочастотных составляющих ШИМ.

Дата добавления: 2014-01-04