Основы схемотехники. Для студентов 3 курса (специальности 200900, 201000, 201100, 201200)

Раздел 3. Усиление сильны х сигналов.  Основы  микросхемотехники усилителей.  Глава 6. Оконечны е и предоконечны е каскады  Основная  особенность  работы  этих  каскадов  –  высокий  уровень  сигнала,  появление  заметных  нелинейных  искажений,  необходимость  использования  мощных  УЭ  с  высоким  потреблением  энергии  от  источника  питания,  а  следовательно,  важнейшим  требованием  является    обеспечение  максимально  возможного  КПД.  Назначение  ОК  –обеспечить  требуемый  уровень  сигнала  на  заданном  сопротивлении  нагрузки  при  допустимых  нелинейных  искажениях.  При  активной  нагрузке  требуется  обеспечить  необходимую мощность  P н , а при реактивной – выходное напряжение  U вых .  Учитывая,  что    сигнал  большой  и    параметры  УЭ  меняются  за  период  сигнала, расчет  проводят графически по динамическим характеристикам.  6.1. Динамическ ие характеристик и.  Динамическими  характеристиками  усилительного  каскада  называются  зависимости  между  мгновенными  значениями  напряжений  и  токов в цепях УЭ при наличии нагрузки во внешней цепи. Как и статические  ВАХ,  рассмотренные  выше,  динамические  характеристики  могут  быть  выходными,  входными,  сквозными,  проходными.  Различают  динамические  характеристики  постоянного  тока,  показывающие  зависимость  между  постоянными составляющими токов и напряжений при наличии  в выходной  цепи сопротивления постоянному току R н = , и динамические характеристики  переменного тока для токов и напряжений с частотой сигнала при наличии в  выходной цепи сопротивления нагрузки переменному току R н ~ .  Выходная  динамическая  характеристика  показывает  зависимость  мгновенных  значений  выходного  тока  от  мгновенного  напряжения  между  выходными  электродами  УЭ.  Рассмотрим  построение  выходной  динамической  характеристики  для  простейшего  резисторного  каскада  на  биполярном  транзисторе, включенном по схеме с ОЭ (рис. 6.1). 

Рис. 6.1.  Уравнение динамической характеристики постоянного тока

U кэ  =  E - I к R н = ,  где  R н=  = R . 

(6.1) 

Графическое  изображение  уравнения  (6.1)  на  плоскости  статических  характеристик  УЭ  –  прямая  линия  (нагрузочная  прямая)  (рис.  6.2). 

Рис. 6.2.  Фиксируя  значение  тока  смещения  I б 0 ,  однозначно  находим  положение  точки  покоя  ( I к 0 ,  U кэ 0 )  по  пересечению  соответствующей  статической  выходной  характеристики  с  нагрузочной  прямой  постоянного  тока.  Наклон  нагрузочной  прямой  определяется R н = .  Составим  уравнение  динамической характеристики переменного тока. При подаче на вход каскада  переменного  сигнала  мгновенное  значение  выходного  тока  iвых  =  I k 0  + Di вых ,  где  D iвых ­  мгновенное  значение  переменной  составляющей  выходного  тока.  Для рис 6.1  икэ  = E - I к 0 R н =  - Di к R н ~  = U кэ 0  - Di к R н ~ .  (6.2)  Графически  изображение  уравнения    (6.2)  представляет  собой  нагрузочную  прямую  переменного  тока  (рис.  6.3).  Там  же  показаны  эпюры  (временные зависимости) токов и напряжений.  Очевидно,  что  наклон  нагрузочной  прямой  переменного  тока  определяется  R Н ~  и  нагрузочные  прямые  постоянного  и  переменного  тока  проходят через точку покоя.  При  работе каскада может использоваться участок  А­В: от режима  насыщения до области неуправляемых токов.

Рис. 6.3.  Входные  динамические  характеристики  используются  только  для  биполярных  транзисторов,  так  как  у  полевых  транзисторов  и  ламп  i вх  »  0 и  практически совпадают со статическими (рис. 6.4). 

Рис. 6.4.  Сквозные  динамические  характеристики  (рис.  6.5)  строятся  для  биполярных транзисторов по входной и выходной характеристикам (с учетом  соотношения  eu  = i б R u  + u бэ )  и  используются  для  оценки  нелинейных  искажений,  так  как  позволяют  учесть  искажения,  возникающие  как  в  выходной, так и во входной цепях. 

Рис. 6.5.  6.2.Режимы  работы  УЭ  Режимы  работы  УЭ  отличаются  тем,  что  ток  в  выходной  цепи  протекает  в  течение  разной  части  периода  сигнала,  действующего  на  входе  (то  есть  углами  отсечки).  Выбор  режима  определяется  выбором  рабочей  точки. Различаются следующие  основные режимы работы УЭ: А, В, С, Д.  Режим  А.  Точка  покоя  выбирается  так,  что  при  гармоническом  сигнале  на  входе  УЭ,  на  выходе  всегда  (в  течение  всего  периода)  будет  сигнал  (режим  без  отсечки  тока  или  угол  отсечки  –  половина  той  части,  периода  в  течение  которой    существует  выходной  ток  ­ Q = 180 o ).  Рабочая  точка  выбирается  на  возможно  более  линейном  участке  сквозной  динамической характеристики или на середине рабочего участка нагрузочной  прямой (рис. 6.3).  Основное  достоинство  режима  А  –  относительное  малые  нелинейные  искажения.    Недостаток  –  низкий  КПД.  Покажем  это  для  простейшего  каскада  с  непосредственным  включением  нагрузки  (рис.  6.6),  определив  максимально  возможный  КПД  в  случае  использования

идеализированного  транзистора  (без  областей  насыщения  и  неуправляемых  токов).  Соответствующие  характеристики  с  эпюрами  тока  и  напряжения  показаны на рис. 6.7. 

Рис. 6.6.  Мощность полезного сигнала в нагрузке  P~  =  Средний 

потребляемый 

от 

U кэ  m I k  m 

источника 

2 

ток 

(6.3)  I ср  =  I к 0 . 

Потребляемая мощность  (6.4) 

P 0 =  I ср E  = I k 0 E 

Из  рис.  6.7  U кэ  m  =  E / 2 ,  I к 0  = I к  т  .  Тогда,  учитывая  (6.3),  (6.4)  и  согласно  (2.2)  для  идеализированного  транзистора  в  режиме  А  P  1  h А max =  ~  = .  Реально,  вводя  коэффициенты  использования  транзистора  P 0  4  по напряжению  x  =

U кэ  т  U кэ  0 

и по току  V  = 1 4 

h А  = x × V × . 

I к  m  I к  0 

, получим  (6.5) 

Отметим, что для резисторного каскада  КПД еще меньше (порядка  6%) из­за дополнительных потерь энергии на резисторе  R э  и из­за того, что R н ~  90 o  и такой режим называют режимом АВ. 

Рис. 6.8а. 

Рис. 6.8 б  Однотактные  каскады  в  режиме  В  (АВ)  не  применяются  из­за  больших нелинейных искажений. При использовании двухтактных каскадов,  работающих  на  общую  нагрузку,  воспроизводится  неискаженный  сигнал.  КПД  в  режиме  В  (при  действии  входного  сигнала)  в  p / 2 раз  больше,  чем  в  режиме  А.  Это  объясняется  тем,  что  постоянная  составляющая  выходного  тока,  то  есть  среднего  тока,  потребляемого  от  ИП,  в  p / 2  раз  меньше  амплитуды  первой  гармоники,  то  есть  полезной  составляющей  выходного  тока.  (следует  из  разложения  в  ряд  Фурье  синусоидальных  импульсов  с  углом отсечки Q = 90 o . Поэтому при полном использовании выходного тока  предельное значение  h B max =  78 , 5 % . Кроме того, при отсутствии  сигнала на  входе  ток  от  источника  сигнала  практически  не  потребляется.  Следовательно,  расход  энергии  при  длительной  работе  в  режиме  В  оказывается значительно меньше чем в режиме А.

Режим  С.  Угол  отсечки  выходного  тока Q < 90 o .  КПД  каскада  в  этом режиме еще выше, чем в режиме В. Однако выделить полезный сигнал  возможно  лишь  в  резонансных  усилителях,  нагрузкой  которых  являются  избирательные  цепи,  осуществляющие  эффективное  подавление  высших  гармоник.  Используется  режим  С  в  мощных  усилителях  радиопередающих  устройств.  Режим  Д.  УЭ  работает  в  ключевом  режиме.  Реализуется  КПД,  близкий  к  единице.  Используется  для  усиления  импульсных  сигналов  в  цифровой технике.  6.3. Однотак тны й трансформаторны й каскад  Принципиальные  схемы  однотактных  оконечных  каскадов  усиления  различаются    типом  и  способом  включения  УЭ,  видами  цепей  межкаскадной  связи  и  выходного  устройства.    Каскад  с  непосредственным  включением  нагрузки  и  резисторный  каскад  рассмотрены  выше.  Однотактный  трансформаторный  каскад  (рис.  6.9)  в  качестве  оконечного  каскада имеет ряд преимуществ. 

Рис. 6.9.  Основное  его  достоинство  –  значительно  более  высокий  КПД( h А = 50% ).  Кроме  того,  выбор  соответствующего    коэффициента  трансформации позволяет оптимизировать нагрузку по переменному току УЭ  (наклон  нагрузочной  прямой)  при  любом  значении  R н .  Недостатком  трансформаторного  каскада  являются  большие  размеры,  масса,  стоимость,  сравнительно  узкая  полоса  рабочих  частот,  невозможность  выполнения  усилителя по интегральной технологии.  Эквивалентная  схема  выходной  цепи  трансформаторного  каскада  приведена  на  рис.  6.10.  (источник  тока  заменен  эквивалентным  источником  напряжения).

Рис. 6.10.  ¢  = r 2  2  ­  пересчитанное  к  первичной  обмотке  сопротивление  r2  n 

потерь вторичной обмотки;  R  R н¢  = н  2 ­  пересчитанное  в  коллекторную  цепь  сопротивление  n 

нагрузки;  L s 1 ­индуктивность рассеяния первичной обмотки;  L s  L s¢ 2  = 2  ­  пересчитанная  индуктивность  рассеяния  вторичной  n 2 

обмотки,  L 1  ­ индуктивность первичной обмотки.  Учитывая,  что  L s 1  ,  L s 2