Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
. Выбор исходного положения рабочей точки на характеристиках усилительного каскада ОЭ в режимах В (аи С (б) Режим С используют в избирательных усилителях, автогенераторах, выделяя из искаженного выходного сигнала основную гармонику. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ И УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Усилителями мощности называют выходные каскады, предназначенные для передачи максимальной мощности в нагрузочное устройство. Нагрузочными устройствами являются обычно обмотки реле и электродвигателей, громкоговорители, нагревательные устройства. Для усилителя мощности главные показатели – коэффициент усиления по мощности Кр и высокий кпд. 15.1. Усилители с трансформаторным включением нагрузки а) Однотактный усилительный каскад Утолщёнными линиями на рис. 15.1 условно изображены обмотки трансформатора Т первичная обмотка включена в цепь коллектора транзистора VT, к вторичной обмотке подключено сопротивление нагрузки R н Рис. Однотактный усилитель мощности (аи его упрощенная схема замещения (б) В схеме усилителя элементы б, б, э, С э обеспечивают выбранный режим по постоянному току и его температурную стабилизацию. Трансформатор Т согласует сопротивление резистора нагрузки нс выходным сопротивлением транзисторного каскада R вых и формирует усиленные токи напряжение, а также гальванически отделяет цепь нагрузки и цепи каскада. В схеме замещения резистор R бр – эквивалентное сопротивление делителя напряжения, обеспечивающего нужное смещение на базе транзистора. н – эквивалентное сопротивление нагрузки н = н, где n = W1/W2 – коэффициент трасформации трасформатора TV; W1,W2 – числа витков первичной (коллекторной ) и вторичной обмоток. Усилитель используется чаще всего в режиме А во избежание больших искажений. Недостаток схемы – завышенная мощность трансформатора из-за подмагничивания магнитного сердечника трансформатора постоянным током коллектора. б Двухтактный трансформаторный усилитель мощности Усилитель состоит из двух симметричных плеч (рис. 15.2) Транзисторы VT1, VT2 подбирают с максимально близкими параметрами. Каждый из транзисторов работает противофазно. Входной трансформатор ТV вх обеспечивает получение одинаковых по модулю, но противоположных по фазе входных напряжений. Выходной трансформатор TV вых суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. R 1 , R 2 – делитель, обеспечивающий заданное положение рабочей точки (смещение. В этой схеме, в отличие от однотактной, отсутствует подмагничивание выходного трансформатора постоянным током. Это благоприятно сказывается на форме выходного сигнала и других показателях. Рис. 15.2. Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности Особенно эффективен режим В, когда каждый из транзисторов участвует в формировании выходного напряжения только в течение одного полупериода. Транзисторы работают поочередно, образуя гармоническое выходное напряжение из х полу- волн. Основные достоинства схемы гальваническое разделение входных и выходных цепей, малые нелинейные искажения, высокий кпд. Недостаток – сложность, обусловленная необходимостью использования двух трёхобмоточных трансформаторов и трудность обеспечения симметрии в схеме. 15.2. Безтрансформаторные двухтактные усилители Такие усилители используются в выходных каскадах электронных устройств. На схеме рис. 15.3 показан усилитель на одинаковых транзисторах с проводимостью p-n-p- типа. Транзисторы управляются двумя противофазными сигналами U вх1 , U вх2 . В первом такте участвует, например, к базовой цепи которого приложено открывающее напряжение – по- луволна U вх2 В этот полупериод транзистор VT1 будет закрыт положительной полуволной U вх1 . Во втором такте транзистором VT1 усиливается вторая полуволна входного тока, а VT2 будет закрыт. Вариант схемы двухтактного безтрансформаторного усилителя на транзисторах разного типа проводимости (на комплементарных транзисторах) показан на рис. 15.4. Рис. Схема двухтактного безтрансформаторного усилителя Рис. 15.4. Схема двухтактного усилителя с одним источником с транзисторами одного типа проводимости питания В схеме (см. рис. 15.4) нужен конденсатор С большой емкости, так как он заменяет источник в такте, когда VT1 закрыт. Транзисторы должны иметь идентичные характеристики. Эти условия ограничивают область применения такого усилителя. 15.3. Усилители постоянного тока (УПТ) УПТ – это усилители, способные усиливать не только сигналы переменного тока, но и сигналы, медленно изменяющиеся во времени, те. сигналы, эквивалентная частота которых практически равна нулю. АЧХ УПТ – отличается от АЧХ усилителя переменных сигналов (рис. 15.5). Связь источника сигнала с входом усилителя и междукаскадные связи в УТП не могут быть осуществлены посредством конденсаторов и трансформаторов подобно усилителям переменного тока. Рис. 15.5. Примерный вид АЧХ усилителя постоянного тока (1) иусилителя переменного тока (2) В усилителях переменного тока связь входных и выходных цепей осуществляется резистивно-емкостными или трансформаторными цепями. Для передачи сигнала в УПТ по тракту усиления необходима непосредственная (с помощью проводников или резисторов) связь по постоянному току между усилительными каскадами и источником сигнала. В области высоких частот в УПТ сказываются паразитные емкостные и индуктивные связи, которые приводят к снижению коэффициента усиления в области высоких частот также, как ив усилителе переменного тока с резистивно-емкостными связями (см. рис. 15.5). УПТ должны удовлетворять нескольким требованиям - в отсутствии входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал - при изменении знака входного сигнала должен изменять знаки выходной сигнал - выходное напряжение должно быть пропорционально входному. Усилители с непосредственной связью между каскадами Непосредственная связь каскадов обусловливает особенности расчета их режима покоя (те. режима, при котором отсутствует входной сигнал. В первую очередь необходимо из усиливаемого и выходного сигналов убрать постоянные составляющие, обеспечивающие исходный режим работы усилительного элемента. Это можно, например, осуществить компенсационным методом. Упрощенная схема каскада УПТ на одном транзисторе показана на рис. 15.6. (Схема имеет, в основном, только теоретическое значение, на практике используются другие схемы, лишенные недостатков, присущих рассматриваемой. Рис. 15.6. Схема каскада УПТ с компенсацией постоянных составляющих (аи диаграммы изменения сигналов (б) Обозначения в схеме и на диаграммах φ i – потенциалы в соответствующих точках н – ток в сопротивлении нагрузки н U вх – входной (усиливаемый) сигнал, U вх = φ 1 - б U вых – выходное напряжение, U вых = к- φ 2 ; R 5 – резистор настройки нулевого уровня выходного напряжения при отсутствии входного сигнала. В схеме отсутствуют конденсаторы внутрикаскадных связей, поэтому вид АЧХ соответствует таковому для УПТ (см. рис. 15.5). Резистор э осуществляет температурную стабилизацию и расширяет полосу пропускания каскада за счёт создания отрицательной обратной связи потоку нагрузки. Сопротивление нагрузки н включено между коллектором и средней точкой делителя R 3, R 5 , R 4 . Входной сигнал (напряжение U вх ) подаётся между базой и средней точкой делителя При отсутствии входного напряжения (U вх = 0) и равенстве потенциалов в соответствующих точках (φ 1 = б, к = φ 2 ) ток в нагрузке отсутствует (н = 0). Для точной подстройки режима служит переменный резистор R 5 . Если, например, на вход подать отрицательный сигнал (момент t 1 на рис. 15.6, б, ток базы транзистора уменьшится. Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, увеличивается потенциал к, вызывая ток н в резисторе н. Если входной сигнал меняет знак (момент t 2 ) – ток коллектора увеличивается, потенциал к уменьшается, в резисторе н ток изменит направление. Таким образом, схема удовлетворяет требованиям, предъявляемым к УПТ. Недостатки рассмотренной схемы усилителя постоянного тока а) нагрузочный резистор не соединен с общей точкой схемы б) источник входного сигнала также не соединен с общей точкой схемы в) требуется тщательная предварительная настройка исходного состояния и подстройка в процессе работы Это создает неудобства при построении более сложных схем. От этих недостатков можно частично избавиться, если использовать не один, а два источника питания. Работу каскада УПТ (рис. 15.7) можно пояснить следующим образом. Рис. 15.7. Упрощенная схема и диаграммы сигналов каскада УПТ с двумя источниками питания В контуре к, Е, R 4 , R 3 справедливо уравнение U R3 + U R4 = к+ Е. Потенциал средней точки φ 0 делителя R 3 R 4 должен быть равен нулю в исходном состоянии схемы, для чего должно соблюдаться условие Е. В этом случае Е = U R4 , а U R3 = U к Ток I 34 выбирают из соотношения I 34 = (0,02 – к, те. значительно меньше тока коллектора, чтобы не нарушать режим работы транзистора. В этом случае R 3 = к I 34 , R 4 = Е I 34 . При подаче, например, положительного входного напряжения U вх возрастает ток базы, увеличивается ток коллектора к и падение напряжения к, снижается напряжение коллектора к. Это приводит к снижению потенциала средней точки φ 0 и появлению отрицательного выходного напряжения. Если R 3 >> R 1 , R 4 >> R 1 , в этом случае можно пренебречь шунтирующим действием делителя, коэффициент усиления напряжения схемы можно приближённо определить по соотношению К = К R 4 /(R 3 + R 4 ), (15.1) где К – коэффициент усиления напряжения усилителя скол- лекторной нагрузкой без делителя R 3 Дрейф в УПТ (дрейф нуля) С течением времени в УПТ изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах, нарушается компенсация постоянных составляющих напряжений и на выходе УПТ появляется напряжение при отсутствии входного сигнала. Это явление называют дрейфом нуля. УПТ должен усиливать напряжение вплоть до самых низких частот, поэтому всякое изменение постоянных составляющих напряжения из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды принципиально не отличается от полезного сигнала. Дрейф нуля можно наблюдать, если вход усилителя УПТ замкнуть накоротко, а на выходе включить милливольтметр. Стечением времени на выходе появится напряжение дрейфа U вых = др (рис. 15.8). Рис. 15.8. Структурная схема для обнаружения дрейфа нуля и диаграмма изменения напряжения дрейфа после включения схемы Если УПТ имеет коэффициент усиления по напряжению Кто величину дрейфа оценивают по выражению др U вых К при U вх =0 и называют дрейфом, приведенным к входу усилителя. УПТ может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, те. при U вх др, поэтому др определяет чувствительность усилителя по входу. Напряжение дрейфа условно можно разделить на две составляющие монотонно изменяющаяся и переменная составляющие медленный и быстрый дрейф я обусловлена изменением характеристик транзисторов, 2- я – колебаниями напряжения источника питания, температуры и т.п. Борьбу с дрейфом осуществляют различными способами, главные из них - стабилизация напряжения источников питания - стабилизация температурного режима - подбор и тренировка транзисторов - преобразование усиливаемого сигнала - использование дифференциальных (балансных) схем УПТ. Например, при стабилизации напряжения питания с точностью, температурной стабилизации ±1 С удается снизить дрейф усилителя до U др вых ≈ 5 – 20 мВ. 15.4. Дифференциальный усилитель (ДУ) Одним из эффективных способов борьбы с дрейфом нуля [17] является использование дифференциальных схем усиления сигналов постоянного тока. ДУ – это устройство, усиливающее разность двух напряжений. В идеальном ДУ выходное напряжение должно быть пропорционально разности абсолютных величин входных напряжений. Входные и выходные напряжения определяются относительно общей точки схемы, являющейся обычно общей точкой двух последовательно включенных источников питания (рис. 15.9). Рис. 15.9. Структурная схема дифференциального усилителя Коэффициент усиления ДУ определяется как отношение разности выходных (усиленных) сигналов к разности входных сигналов Кр = (U вых1 - U вых2 ) / (U вх1 - U вх2 ) = U вых12 / U вх12 В реальном ДУ коэффициент усиления (передачи) напряжения Кр зависит не только от разности, но и от суммы напряжений. Этот факт отражается в том, что выходное напряжение ДУ определяется по двум коэффициентам передачи входных сигналов U вых12 = U вых1 - U вых2 = Кр (U вх1 - U вх2 ) ± К с (U вх1 + U вх2 ) / 2, (15.2) где Кр – коэффициент усиления разностного напряжения К с – коэффициент передачи суммы входных сигналов. Полусумму входных сигналов (U вх1 + U вх2 )/2 называют синфазным сигналом. С учетом приведенных соотношений можно дать определение коэффициента передачи синфазного сигнала, полагая (U вх1 - U вх2 ) = 0: К с = 2 (U вых1 - U вых2 ) сф / (U вх1 + U вх2 ). (15.3) В этом случае коэффициент передачи синфазного сигнала есть отношение напряжения на выходе к синфазному входному напряжению при разностном напряжении на входе, равном нулю. Качество ДУ оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала К олсф = Кр / К с (15.4) С учетом (15.4) выходное напряжение будет определяться соотношением U вых12 = Кр [(U вх1 - U вх2 ) ± (U вх1 + U вх2 ) / 2К олсф ]. (15.5) У хороших ДУ обычно К олсф = (80 – 120) дБ. Относительную погрешность усиления разности напряжений можно найти по выражению δ =2(U вх1 + U вх2 )/ [К олсф (U вх1 - U вх2 )]. (15.6) Выражение (15.6) показывает, что δ тем меньше, чем больше К олсф Принципы построения дифференциальных усилительных каскадов ДУ построены по принципу четырехплечевого измерительного моста (рис. 15.10). Рис. 15.10. Схема четырехплечевого измерительного моста Мост сбалансирован (находится в равновесии, если R 1 R 3 = R 2 R 4 , при этом U вых = 0. Изменение напряжения питания Е к и пропорциональное изменение сопротивлений резисторов не нарушает равновесия в схеме. В схеме дифференциального усилителя вместо резисторов моста используются транзисторы, например, так, как показано на схеме рис. 15.11. Рис. 15.11. Схема ДУ с транзисторами в плечах равновесного моста Стабильность работы ДУ достигается не только использованием свойств равновесного моста, но и обеспечением стабильности тока э, протекающего в цепях источников питания. Величина этого тока определяется параметрами схемы, называемой генератором стабильного тока (ГСТ). Вне входят транзисторы VT 3 , VT 4 , резисторы R 1 , R 2 , и источник Е. Равновесный мост образуют резисторы к = R к2 и идентичные транзисторы VT 1 , VT 2 . Если Е = E 2 , то э = э = э /2. Если U вх1 = в, ток к = E 1 - эк /2, U вых = 0. Это будет, в частности, и при U вх1 = U вх2 = 0, те. когда входы ДУ соединены с общей точкой схемы. Наличие симметрии в схеме четырехплечевого моста стран- зисторами – обязательное условие правильной работы схемы, поэтому характеристики используемых транзисторов должны быть идентичны. Высокая стабильность ДУ (нечувствительность к дрейфу нуля) обеспечивается тем, что изменения параметров идентичных элементов происходят в одну сторону и при вычитании на выходе не проявляются. Например, при изменении температуры напряжения к и к изменяются одинаково ив выходном разностном сигнале U вых это изменение практически не ощущается. Входных сигналов необязательно должно быть два. В частности, один из сигналов может быть равен нулю. Входы называют дифференциальными, причем один из входов называют инвертирующим а другой неинвертирующим. Для определения аналитических соотношений изобразим упрощённую схему ДУ (рис. 15.12). Рис. 15.12. Упрощённая схема ДУ Можно заметить (см. рис. 15.12), что если подать входной сигнал Е вх на базу VT 1 , то коллекторное напряжение в точке к) с увеличением Е вх уменьшается, те. инвертируется. При этом коллекторное напряжение в точке 2 (к) с увеличением Е вх тоже увеличивается, те. не инвертируется. Поэтому входа) называют инвертирующим, б) – не инвертирующим. При этом выходное напряжение U вых = к – к к) где к – величина изменения каждого коллекторного напряжения. Интересно, что если, например, э = 0 (обрыв цепи эмиттера VT 2 ), то э I к1 ≈I э , к Е эк, U к2 =Е 1 , U вых = эк. Схема теряет способность усиления входного сигнала. С изменением полярности входного сигнала или при подаче входного сигнала на базовую цепь транзистора VT 2 процессы протекают аналогично. Расчет коэффициента усиления по напряжению для дифференциального каскада Для упрощения будем считать, что входные сопротивления каскада по каждому входу транзисторов VT 1 , VT 2 одинаковы, ан (режим х.х.), тогда (см. рис. 15.12) I вх = E вх / (г+ R вх1 + R вх2 ) ≈ E вх г + +2 э. Входные токи создают приращения коллекторных токов к = ± ±I вх *h 21э . Приращения токов вызывают приращения коллекторных напряжений к к к = э ∙ I вх к Коэффициент усиления по напряжению здесь удобнее определить по соотношению K Uхх =(U к1 - U к2 )/Е вх или K Uхх =2ΔU к / Е вх После подстановки имеем K Uхх = 2 эк (г +э) (15.8) Если учесть сопротивление нагрузки, тон эк н (г + э. Если га н ∞, то д = эк э, (15.9) где д – коэффициент усиления каскада при указанных условиях. По принципу действия видно, что в случае, когда подаются оба сигнала и подаваемые входные напряжения разнополярны, то U вых = д ∙ [U вх1 - (-U вх2 )] = д (U вх1 + U вх2 ). (15.10) |