Усилители мощности. Вторая версия рефа усилит мощности. Степень изученности мелких млекопитающих Республики Чувашия

• Название: Степень изученности мелких млекопитающих Республики Чувашия
• Анкор: Усилители мощности
• Дата: 03.11.2022
• Размер: 0.49 Mb.
• Имя файла: Вторая версия рефа усилит мощности .docx
• Тип: Реферат; #769440

«Шапка с названием учебного заведения»

Реферат
по дисциплине «биология»

на тему: «Степень изученности мелких млекопитающих Республики Чувашия»

Выполнил
студент группы ****
очной формы обучения
факультета *********
Иванов Иван Иванович
Преподаватель:
Иванов Иван Иванович
Москва – 2022

Введение

Усилителями мощности называются такие усилители, которые, прежде всего, должны обеспечивать высокую выходную мощность; усиление по напряжению в них является второстепенным фактором. Высокая выходная мощность должна быть получена в усилителях мощности при наименьшем потреблении энергии от источника питания и допустимых уровнях нелинейных и частотных искажений.

Усилитель мощности представляет собой обычно многокаскадный усилитель, состоящий из входного, предоконечного и оконечного каскадов. Технические характеристики усилителя мощности в основном определяются выходным каскадом. Мощный выходной каскад является основным потребителем электрической энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, сравниваемый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада усилителя мощности основное внимание обращают на возможность получения максимального КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Усилители могут быть классифицированы по ряду признаков:

• по роду усилительного элемента - транзисторные, ламповые;

• роду усиливаемой величины - напряжения, мощности, тока;

• виду частотной характеристики носителя.

Усилители низкой частоты (УНЧ) служат для усиления периодических непрерывных сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц). Их особенностью является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и имеет значение от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты. Они широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.


В усилителе мощности высокая выходная мощность при максимальном КПД может быть получена при определенном согласовании его внутреннего сопротивления с сопротивлением нагрузки. С этой целью в усилителях мощности нередко используют трансформаторы. Правильным выбором коэффициента трансформации всегда можно добиться необходимого согласования и получить в нагрузке максимально возможную мощность.

В выходных каскадах усилителей используются различные режимы работы транзисторов, начиная от традиционного класса А до новейшего цифрового класса D.

В однотактных усилителях класса А больший ток смешения обеспечивает открытое состояние транзисторов в течение всего периода существования сигнала. Этому режиму присущ низкий уровень искажений, но одновременно и низкий КПД, который не превышает в лучшем случае 50%. Последний не позволяет создать усилитель класса А с достаточно большой выходной мощностью, приемлемых габаритов и умеренным выделением тепла.

В усилителях класса В смещение или начальный ток уменьшен так, чтобы каждый из комплементарных транзисторов был открыт поочередно, пропуская положительную и отрицательную части входных сигнала соответственно. Этим достигаются меньший нагрев и более высокий КПД (теоретически максимум 78%).

Многие изготовители высококлассной техники выпускают усилители, режим выходного каскада которых можно переключать из класса А в класс В. Тем самым можно выбрать меньшие искажения, но ограниченную динамику или повышенную мощность с некоторыми потерями в коэффициенте нелинейных искажений.

Разработчики всегда демонстрировали стремление создать экономичные усилители мощности. Сначала были предприняты многочисленные попытки объединить эффективность класса В и низкие искажения класса А. Так появились варианты переходного класса АВ, потом в середине 70-х его разновидности с динамическим, т.е. зависящим от уровня сигнала, смещением типа Super Class A, New Class A, Non-switching amp и т.д. Многие фирмы предлагали аналоговые усилители с изменяющимся в зависимости от уровня сигнала напряжением питания. Первой на этом пути еще в конце 70-х была Hitachi, которая и предложила для обозначения этого режима работы название - класс Н. В тех усилителях напряжение питания выходных каскадов могло принимать одно из трех дискретных значений. Сегодня подобные усилители используются во многих моделях Technics, обозначение которых Н+ показывает на небольшое отличие в схемотехнике. Здесь уровень питания меняется только на одну ступень, повышая выходную мощность в полтора раза.

В усилителях класса D выходные транзисторы работают как ключи, которые либо полностью открыты, или полностью закрыты. Поскольку в таком режиме работы практически отсутствует выделение тепла, кпд усилителя приближается к 100%. Поскольку непрерывный аналоговый сигнал невозможно воспроизвести только включением и выключением выходного каскада, усилители данного класса представляют аналоговый сигнал путем изменения временного отрезка между этими переключениями. Такой процесс называется широтно-импульсной модуляцией – ШИМ. ШИМ – усилители в настоящее время используются в автомобильных усилителях и стационарной аппаратуре с выходной мощностью несколько сот ватт.

Но наиболее перспективны усилители мощности класса D в полностью цифровом усилителе, поскольку ШИМ - сигнал может быть получен непосредственно с выхода CD - или DVD-проигрывателя или другого цифрового источника. В таком усилителе реально заранее в цифровой форме осуществить любую коррекцию возможных искажений, вызванных работой самого ключевого каскада.

В усилителях мощности применяют все три схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ, ОК. В схеме с ОБ, как известно, транзистор имеет наибольшее значение напряжения на коллекторе и сравнительно линейную переходную характеристику (даже при больших значениях выходного сигнала). Поэтому схема с ОБ позволяет получать наибольшую выходную мощность при заданном коэффициенте гармоник.

Схема с ОЭ, как известно, имеет максимальное усиление по мощности. Однако нелинейные искажения в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ. К тому же требуется значительная мощность для питания цепей стабилизации транзистора по постоянному току.

Схема с ОК имеет малое выходное сопротивление и в настоящее время находит широкое применение в бестрансформаторных двухтактных усилителях мощности.

Однотактные выходные каскады на транзисторах

Простейшим способом подключения нагрузки в усилителе мощности является непосредственное ее включение в выходную цепь транзистора, как показано на рис. 2.1. Достоинство данного включения связано с простотой схемы, недостатком является протекание через нагрузку постоянной составляющей тока электропитания и невысокий КПД.


Рис. 2.1. Усилитель мощности с включением нагрузки в коллекторную цепь транзистора
Усилитель мощности, схема которого приведена на рис. 2.1, может быть использован для усиления сигналов произвольной формы в режиме А или сигналов одной полярности в режиме В.

При отсутствии в нагрузке индуктивной составляющей максимальное напряжение источника питания выбирается из условия E ≈ U_{кэ max}. Ток покоя I_о равен сумме I_{m вых} и остаточного тока транзистора I_min. Максимальный коллекторный ток

Напряжение источника питания для рассматриваемого усилителя
.
где U_ост — остаточное напряжение, определяемое по семейству выходных характеристик биполярного транзистора.

Реально КПД, получаемый от каскада с непосредственным включением нагрузки, меньше предельного из-за остаточного тока и напряжения, и не превышает 20%. Низкий КПД и наличие постоянной составляющей в нагрузке тока ограничивает использование данного усилителя мощности.

Постоянную составляющую тока коллектора можно исключить, если R_н включить через конденсатор. Однако в этом случае КПД будет еще меньше (около 8,7%) при синусоидальном входном сигнале. Реально КПД получается 5 - 6 %, что ограничивает использование таких каскадов в качестве усилителей мощности.

Для получения большего значения КПД и устранения постоянной составляющей коллекторного тока транзистора в нагрузке применяют трансформаторные усилители мощности.

На рис. 2.2, а, приведена простейшая cхема однотактного усилителя мощности с трансформаторным включением нагрузки. Для анализа ее работы рассмотрим семейство выходных характеристик транзистора с построенной линией нагрузки для переменного тока (рис. 2.2, б).



Рис. 2.2 Усилитель мощности с трансформаторным включением нагрузки — а и выбор его режима работы — б

Двухтактные усилители мощности

Двухтактные усилители мощности позволяют получить более высокий кпд, чем однотактный усилитель мощности. Для этого используется режим В или АВ. В двухтактных схемах усилителей мощности использование режима А обычно не оправдывается из-за сравнительно невысокого КПД всей схемы.

Двухтактные выходные каскады можно подразделить на каскады с согласующими выходными трансформаторами и бестрансформаторные.

На рис. 2.3 приведена схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности. Такой усилитель обладает рядом достоинств по сравнению с однотактными схемами. Например, как в отсутствие входного сигнала, так и во время работы постоянные составляющие коллекторных токов создают в сердечнике трансформатора магнитные потоки противоположных направлений. Следовательно, в сердечнике трансформатора отсутствует (или значительно подавлена при неполной симметрии) постоянная составляющая магнитного потока. Это значительно упрощает конструкцию трансформатора и позволяет уменьшить его размеры.

Существенным достоинством двухтактных каскадов является уменьшение нелинейных искажений. Действительно, при симметрии плеч кривая суммарного магнитного потока будет симметрична относительно оси времени, а, следовательно, она не будет содержать четных гармоник. В свою очередь, это дает возможность, помимо класса А, применять более экономичные режимы АВ и В, при которых как раз характерно появление нелинейных искажений за счет образования четных гармонических составляющих.



Рис. 2.3 Схема трансформаторного двухтактного усилителя мощности
Достоинством трансформаторного двухтактного каскада является также значительное подавление на выходе схемы пульсаций напряжения источников питания, кратных частоте питающей сети, а также различных синфазных сигналов. По этой причине иногда двухтактная схема применяется во входных и предварительных усилителях с низким уровнем входного сигнала.

К недостаткам, свойственным двухтактным схемам, относится требование довольно строгой симметрии схемы и идентичности транзисторов и обмоток трансформатора, а также необходимость получения на входе парафазного сигнала. Обычно для этой цели применяют либо трансформаторы, как показано на рис. 2.3, либо специальные фазоинверсные предоконечные усилители.

Несмотря на отмеченные выше преимущества двухтактных трансформаторных усилителей мощности, следует отметить, что применяемый в них трансформатор не технологичный элемент; он имеет большие массу и габариты, что не позволяет выполнять трансформаторные усилители в виде интегральных микросхем. Кроме того, трансформатор является источником значительных частотных искажений в области как низких, так и высоких частот, больших наводок, снижает КПД усилителя мощности. Большие фазовые сдвиги, вносимые трансформатором между входным сигналом и выходным, не дают возможности охватить усилитель глубокой отрицательной обратной связью и тем самым повысить качество усилителя.

Несмотря на это, в настоящее время отдельные фирмы выпускают высококлассные ламповые усилители звуковой частоты с применением специальных разделительных и выходных трансформаторов. Применение специальных материалов и конструкции трансформаторов позволило расширить их частотный диапазон от десяти Гц до 50 кГц.

Отмеченных выше недостатков лишен бестрансформаторный усилитель мощности. Появление мощных транзисторов с низкоомным выходным сопротивлением обусловило широкое применение бестрансформаторных усилителей мощности и при больших уровнях выходной мощности.

Достоинством бестрансформаторного усилителя мощности является: малые масса и габариты, малые частотные искажения, больший кпд, возможность интегрального исполнения. При массовом производстве переход к бестрансформаторным усилителям мощности дает существенную экономию меди и трансформаторной стали, уменьшает общую трудоемкость изготовления аппаратуры.

На рис. 2.4, а - г приведены возможные схемы оконечных каскадов бестрансформаторных усилителей мощности. Как видно из приведенного рисунка, они могут быть реализованы либо на транзисторах различного типа проводимости (комплементарные транзисторы), либо на транзисторах одного типа проводимости. Питание таких усилителей мощности может производиться от двух источников с заземленной средней точкой, либо от однополярного источника. В последнем случае нагрузка обычно подключается к выходному каскаду через разделительный конденсатор.

Нагрузка в этих усилителях может либо подключаться через разделительный конденсатор к общей шине, либо к средней точке двух источников питания. Необходимый режим работы каждого транзистора обеспечивается напряжением, действующим на его базе:


где Е_бэ1 , Е_бэ2 — постоянные напряжения, действующие на базах соответствующих транзисторов. На рис. 2.4 показаны также управляющие сигналы с учетом фаз, которые обеспечивают нормальную работу выходных каскадов. Управление комплементарных транзисторов осуществляется синфазными сигналами, а транзисторов одного типа электропроводности – противофазными. Получение противофазных сигналов требует применения специальных транзисторных фазоинверсных усилителей, что в некоторой степени усложняет схему усилителя мощности. Управление комплементарными транзисторами существенно упрощается – входной сигнал обычно подается их объединенные входы.


Рис. 2.4 Возможные схемы оконечных каскадов бестрансформаторных усилителей мощности: а, б — на транзисторах различного типа проводимости; в, г — на транзисторах одного типа проводимости

Принцип работы бестрансформаторного усилителя мощности

Рассмотрим особенности работы оконечных каскадов, приведенных на рис. 2.4. При емкостной связи оконечного каскада с нагрузкой необходим один источнике с напряжением, равным Е. Емкость конденсатора, С следует выбирать из соотношения

1/_н C < R_н
где _н - нижняя граничная частота усиления. При выполнении этого условия напряжение на конденсаторе не успевает заметно измениться в течение периода колебаний усиливаемого сигнала, и его поэтому можно считать постоянным и равным 0,5 Е. Таким образом, последовательно с нагрузкой как бы включается дополнительный источник питания с напряжением равным 0,5 Е.

При положительной полуволне входного сигнала в схеме рис. 2.4 а, открывается верхний транзистор VT1 и ток от источника питания проходит по цепи: плюс источника питания Е, коллектор-эмиттер транзистора VT 1, конденсатор С, R_н, минус источника питания Е. При отрицательной полуволне входного синусоидального сигнала транзистор VT1 закрыт. Роль источника питания выполняет конденсатор С, напряжение на котором равно 0,5Е. Ток в этом случае проходит по следующей цепи: положительная обкладка конденсатора С, эмиттер-коллектор транзистора VT2, R_н, отрицательная обкладка конденсатора С. Во время отрицательного полупериода ток от источника питания не потребляется. Стабилизация средней точки усилителя мощности с емкостной связью нагрузки вызывает большие трудности, чем в каскадах с непосредственной связью. По этой причине в усилителях мощности чаще применяется гальваническая связь нагрузки с источником питания. Нижняя граничная частота в таких усилителях мощности определяется только емкостями конденсаторов на входе усилителя и в фильтре выпрямителя. Для обеспечения симметрии плеч оконечного каскада в нем лучше применять комплементарные транзисторы, так как в такой схеме оба транзистора включены по схеме ОК.


шум

Режим АВ для усилителя мощности

Переходные искажения, возникающие в усилителе мощности в режиме В, вызывают значительные нелинейные искажения. Вблизи нуля ток в открытом транзисторе достаточно мал, а его внутреннее сопротивление велико. В результате прирост напряжения на нагрузке в этой области оказывается меньше, чем изменение входного сигнала, что и является причиной излома данной характеристики.

При задании небольшого начального тока транзисторов их внутреннее сопротивление уменьшается, переходная характеристика становится более линейной, что существенно уменьшает нелинейные искажения. Такой режим и называется режимом АВ. В этом режиме переходные искажения настолько малы, что с помощью обратной связи легко могут быть уменьшены до пренебрежимо малой величины.

Существуют различные способы задания напряжения смещения в оконечных каскадах. Один из способов задания напряжения смещения показан на рис. 2.5. Для задания малого тока покоя между базами транзисторов VT1 и VT2 в данной схеме приложено постоянное напряжение, около 1,4 В. С этой целью в схему введены диоды VD 1 и VD2. Падение напряжения на диодах VD1 к VD2 составляет примерно U₁=U₂= 0,7B. При таком напряжении через транзисторы VT1 и VT2 течет небольшой начальный ток. Величина генератора тока I₁ выбирается больше максимального базового тока транзисторов VT1 и VT2, чтобы диоды VD1 и VD2 при максимальном входном сигнале не запирались. Источники постоянного тока не следует заменять резисторами, так как в этом случае ток через диоды будет убывать при возрастании входного сигнала.


Рис. 2.5 Задание начального смещения с помощью диодов

Основная проблема режима АВ состоит в необходимости поддержания постоянного тока покоя транзисторов VT1 и VT2 в широком диапазоне рабочих температур. При увеличении температуры, как известно, ток покоя увеличивается. Это приводит к дальнейшему росту температуры транзисторов и в результате к их тепловому разрушению. Такой эффект называется положительной термической обратной связью.

Для компенсации положительной связи при повышении температуры транзистора на 1°С необходимо уменьшить напряжение U_эб, примерно на 2,5 мВ. Эту роль дополнительно и выполняют диоды VD1 и VD2, кроме задания напряжения смещения в схеме рис. 2.5. Конечно, такая температурная компенсация оказывается неполной, так как существует значительное различие в температурах перехода транзистора и его корпуса. Поэтому применяются дополнительные меры по стабилизации тока покоя. Для этого в схему усилителя мощности включаются резисторы R1 и R2, которые осуществляют отрицательную обратную связь по току. Эффективность обратной связи увеличивается с возрастанием величины сопротивлений этих резисторов, но при этом уменьшается выходная мощность. По этой причине величина сопротивлений резисторов обратной связи должна выбираться малой по сравнению с сопротивлением нагрузки.

В промышленных образцах современных усилителей чаще всего применяются выходные каскады в виде двухтактных эмиттерных повторителей, работающих в классе АВ (см. упрощенную схему рис. 2.6).


Рис 2.6

Данная схема имеет ряд недостатков. Один из них – плохое использование транзисторов по напряжению и трудность достижения высокого КПД. В данной схеме амплитуду выходного напряжения невозможно сделать достаточно близкой к напряжению питания Е_к, так как каскад имеет коэффициент усиления по напряжению К_и меньше единицы. Амплитуда выходного напряжения отличается от входного не менее, чем на величину падения напряжения на эмиттерно-базовом переходе транзистора Т2 (Т3). А если в качестве Т2 и Т3 применяются составные транзисторы, то величина U_бэ может достигать 1,5 В.

Кроме того, данная схема предъявляет высокие требования к предоконечному каскаду. Чтобы получить выходное напряжение, близкое к максимальному, размах напряжения на выходе предоконечного каскада должен достигать значения 2Е_к. С этой целью в качестве предоконечного применяется каскад с общим эмиттером (ОЭ) без цепочки эмиттероной стабилизации (см. рис. 2.16). Такое построение предоконечного каскада отрицательно сказывается на температурной стабильности и усложняет его регулировку. Чтобы повысить температурную стабильность, приходится вводить глубокую отрицательную обратную связь по постоянному току.

Составные транзисторы в усилителях мощности

Получение больших выходных токов в нагрузке требует применения в выходных каскадах транзисторов с большими выходными токами. Для этих целей в усилителях мощности часто применяют составные транзисторы. На рис. 2.7 приведена принципиальная электрическая схема усилителя мощности, в которой на выходе используются составные транзисторы (транзисторы VT5, VT 6 и VT9, VT10).

При работе усилителя мощности (рис. 2.7) в режиме АВ установка тока покоя транзисторов VT5, VT 6 и VT9, VT10 связана с определенными трудностями, так как необходимо скомпенсировать четыре зависящих от температуры напряжения база-эмиттер. Этого можно избежать, если задать только ток покоя для предоконечных транзисторов VT5, VT6. При этом мощные выходные транзисторы будут открываться лишь при больших выходных токах. С этой целью величину напряжения смещения между базами транзисторов VT9 и VT10 можно выбрать такой, чтобы падение напряжения на резисторах R8 и R9 составляло около 0,4 В (напряжение смещения U_см = 2 (0,4+0,7) = 2,2 В). В этом случае выходные транзисторы даже при высокой температуре перехода оказываются закрытыми.


Рис. 2.7 Принципиальная схема усилителя мощности
Резисторы R8 и R9 одновременно являются сопротивлениями утечки для базового заряда выходных транзисторов. Чем меньше сопротивления этих резисторов, тем быстрее будут запираться выходные транзисторы. Это особенно важно в тех случаях, когда при изменении знака входного напряжения один транзистор открывается, хотя второй еще не заперт. Этот эффект наблюдается при работе усилителя мощности на повышенных частотах. В данном случае через выходные транзисторы будет протекать сквозной ток, вызывающий дополнительный разогрев транзисторов и увеличение тока, потребляемого от источника питания. По этой причине в выходных каскадах усилителей мощности необходимо применять транзисторы с запасом по частотным свойствам. Верхняя граничная частота усиления транзисторов должна быть по крайней мере в три раза превышать наивысшую частоту входного сигнала

Из-за малого выходного сопротивления двухтактные усилители мощности легко перегружаются и разрушаются. Поэтому в усилителях мощности целесообразно использовать схемные решения, ограничивающие максимальную величину выходного тока. В схеме рис. 2.7 ограничение имеет место, когда один из транзисторов VT7 или VT 8 открыт. Эти транзисторы откроются, если падение напряжения на резисторе R12 или R13 превысит значение ≈ 0,6 В. При этом, дальнейшее возрастание базовых токов транзисторов VT 9 и VT 10 происходить не будет, а сами транзисторы перейдут в режим работы стабилизации тока.