Усилитель мощности с трансформаторным выходом, работающий в режимах класса А и В

На рис. 4 представлена схема двухтактного транзисторного каскада усиления с трансформаторным входом и выходом.

Верхнее плечо усилителя образует транзистор VТ 1 типа n-p-n, включенный  по схеме с ОЭ, и верхние полуобмотки трансформаторов Т 1 и Т 2. Нижнее плечо включает в свой состав транзистор VТ 2 типа n-p-n, включенный  по схеме с ОЭ, и нижние полуобмотки трансформаторов Т 1 и Т 2. В идеальном случае оба плеча совершенно одинаковы и схема симметрична относительно горизонтальной оси, проходящей через средние точки трансформаторов.

Рис.4

Усилитель может работать как в режиме класса А, так и класса В. Для перевода каскада в режим В достаточно уменьшить напряжение смещения на R ₂(увеличить сопротивление R ₁ и уменьшить R ₂), либо вообще исключить цепи смещения, отключив R ₁ и закоротив R ₂. Рассмотрим режим класса В.

Трансформатор Т 1 предназначен для получения двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе напряжений, а также согласования сопротивлений источника сигнала с входным сопротивлением усилителя.

Трансформатор Т 2 обеспечивает согласование сопротивлений нагрузки с выходным сопротивлением коллекторных цепей транзисторов.

Конденсатор С _бл1 блокирует R ₂ по переменному току, уменьшая потери переменной составляющей входного сигнала.

Делитель R ₁, R ₂ обеспечивает требуемое положение рабочей точки на характеристиках транзисторов.

При отсутствии входного сигнала (U _вх=0) оба  транзистора закрыты. Через трансформатор Т2 ток не протекает, и напряжение на нагрузке Rн  равно нулю. Таким образом, в статическом режиме постоянные токи через транзисторы не протекают, т.е. в режиме В ток покоя транзисторов практически равен нулю, что уже предопределяет пониженный расход тока питания.

При подаче на вход схемы переменного напряжения U _вх , например, гармонического сигнала, на вторичных обмотках трансформатора Т1 образуются два одинаковых по величине вторичных напряжения U1 (см. рис. 4), амплитуды которых определяются величиной U _вх и коэффициентом трансформации n трансформатора Т1. В результате один из транзисторов, например, верхний VT1 переходит в активный режим (открывается) и форма тока через него приблизительно повторяет форму приложенного напряжения. Полуволна тока через верхний трансформатор протекает по цепи: + U п, верхняя полуобмотка Т2 – коллектор VT1 - коллекторный переход VT1 – эмиттерный переход VT1 – эмиттер VT1 – общая точка (┴). Он индуцирует по вторичной обмотке T2 полуволну тока, протекающего через нагрузку Rн. В это время нижний транзистор VT2 находится в режиме отсечки и через нижнюю полуобмотку трансформатора Т2 ток не протекает.

При смене полярности входного напряжения состояние транзисторов изменяется на противоположное. В результате во вторичной обмотке трансформатора Т2 возбуждается ток обратного направления.

Таким образом, через нагрузку протекает ток, форма которого совпадает с формой управляющего напряжения (U _вх).

 

Электрические фильтры

Основные понятия и определения

Электрический фильтр – это четырехполюсник, пропускающий из входной цепи в выходную определенный диапазон частот сигналов в виде напряжения или тока.

Электрические фильтры классифицируются по нескольким группам (табл.1):

· низкочастотные – это такие четырехполюсники, которые беспрепятственно пропускают частоты от нуля до некоторой частоты среза f_ср;

· высокочастотные – это такие четырехполюсники, которые пропускают частоты от частоты среза (f_ср) до бесконечности;

· полосовые – это такие четырехполюсники, которые пропускают частоты от частоты f₁ до 2₂, а остальные частоты не пропускают;

· заграждающие – это четырехполюсники, противоположные полосовым, т.е. частоты от частоты f₁ до f₂ не пропускают, а все остальные пропускают.

В таблице 1 зона пропускания обозначена как ЗП, а зона заграждения – как ЗЗ.

Таблица 1

Тип фильтра	Зона пропускания
Низкочастотный
Высокочастотный
Полосный
Заграждающий

Пассивный фильтр — электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов, таких как катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Обычно пассивные фильтры являются линейными.

Пассивные фильтры используются повсеместно в радио- и электронной аппаратуре, например в акустических системах, источниках бесперебойного питания и т. д.

Активные RC фильтры, т.е. фильтры, имеющие в своем составе усилительные элементы, применяются на частотах ниже 100 кГц. Применение положительной обратной связи позволяет увеличивать добротность полюса фильтра. При этом полюс фильтра можно реализовать на RC элементах, которые значительно дешевле, чем катушки индуктивности. Кроме того, величина емкости конденсатора, входящего в состав активного фильтра, может быть уменьшена, так как в ряде случаев усилительный элемент позволяет увеличивать ее эффективное значение. Применение конденсаторов с малой емкостью позволяет выбирать их типы, обладающие малыми потерями и высокой стабильностью параметров.

При проектировании активных фильтров фильтр заданного порядка разбивается на звенья первого и второго порядка. Результирующая АЧХ получится перемножением характеристик всех звеньев. Применение активных элементов (транзисторов, операционных усилителей) позволяет исключить влияние звеньев друг на друга и проектировать их независимо. Это обстоятельство значительно упрощает и удешевляет проектирование и настройку активных фильтров

  Активные фильтры НЧ первого порядка.

 На рисунке 4 приведена схема активного RC фильтра нижних частот первого порядка на операционном усилителе. Величинами сопротивления резистора R2 и емкости конденсатора C1 можно задать его частоту среза, то есть определить полосу пропускания данной схемы активного фильтра.

Рисунок 4. Схема активного RC фильтра нижних частот первого порядка

В схеме, приведенной на рисунке 4, коэффициент усиления определяется отношением резисторов R2 и R1:

а эффективная величина емкости конденсатора C1 увеличивается в коэффициент усиления плюс единица раз за счет эффекта Миллера.

Следует отметить, что подобный способ увеличения значения емкости приводит к уменьшению динамического диапазона схемы в целом. Поэтому к данному способу увеличения емкости конденсатора прибегают в крайних случаях. Обычно обходятся интегрирующей RC-цепочкой, в которой уменьшение частоты среза достигается увеличением сопротивления резистора при постоянном значении емкости конденсатора. Для того, чтобы устранить влияние цепей нагрузки, на выходе RC-цепочки обычно ставится буферный усилитель с единичным коэффициентом усиления по напряжению (рис.5).

Рисунок 5. Схема RC фильтра нижних частот первого порядка (RC-цепочка)

Тем не менее, при достаточно низкой частоте среза фильтра низких частот может потребоваться большое значение емкости конденсатора. Электролитические конденсаторы, обладающие значительной емкостью, не подходят для создания фильтров из-за большого разброса параметров и низкой стабильности. Конденсаторы, выполненные на основе керамики с большим значением электрической постоянной ε, тоже не отличаются стабильностью значения емкости. Поэтому применяются высокостабильные конденсаторы малой емкости, и их значение увеличивается в схеме активного фильтра, приведенной на рисунке 4.

Активные фильтры НЧ второго порядка.

Еще больше распространены схемы активных фильтров второго порядка, позволяющие реализовать большую крутизну спада АЧХ по сравнению со схемой первого порядка. Наибольшее распространение получила схема Саллена-Кея, приведенная на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема активного RC фильтра нижних частот второго порядка

Амплитудно-частотная характеристика этой схемы подобна АЧХ звена второго порядка пассивного LC фильтра. Ее вид приведен на рисунке 7.

Рисунок 7. Примерный вид амплитудно-частотной характеристики активного RC фильтра нижних частот второго порядка

Частота резонанса полюса при этом может быть определена из формулы:

а его добротность:

Частоты нулей в идеальном случае равны бесконечности. В реальной схеме зависят от конструкции печатной платы и параметров использованных резисторов и конденсаторов.

Схема Саллена-Кея позволяет максимально упростить выбор элементов схемы. Обычно конденсаторы C1 и C2 выбирают одинаковой емкости. Резисторы R1 и R2 выбирают одинакового сопротивления. Сначала задаются значением емкостей C1 и C2. Как уже обсуждалось выше, их емкости стараются выбрать минимальными. Именно такие конденсаторы обладают максимально стабильными характеристиками. Затем определяют значение сопротивления резисторов R1 и R2:

Резисторы R3 и R4 в схеме Саллена-Кея определяют коэффициент усиления по напряжению точно так же, как и в обычной схеме инвертирующего усилителя. В схеме активного фильтра именно эти элементы будут определять добротность полюса (Q_p).

В схеме активного RC фильтра усилитель охвачен как отрицательной, так и положительной обратной связью. Глубина положительной обратной связи определяется соотношением резисторов R1R2 или конденсаторов C1C2. Если добротность полюса задавать за счет этого соотношения (отказаться от равенства сопротивлений или конденсаторов), то операционный усилитель можно охватить 100% отрицательной обратной связью и обеспечить единичный коэффициент усиления активного элемента. Это позволит упростить схему звена второго порядка. Упрощенная схема активного RC фильтра второго порядка показана на рисунке 8.

Рисунок 8. Упрощенная схема Саллена-Кея

К сожалению, при единичном коэффициенте усиления можно задаваться только одинаковыми значениями сопротивлений R1 и R2, а необходимую добротность получать соотношением емкостей. Поэтому расчет начинается с задания номинального значения резисторов R1 = R2 = R. Тогда емкости можно рассчитать следующим образом:

Гираторы

Применение катушек индуктивности в малогабаритных устройствах затруднено. Габариты катушек относительно велики, и поэтому их  трудно поместить внутри интегральной микросхемы.

Однако катушкой индуктивности можно считать любое устройство, ток через которое пропорционален напряжению, приложенному к нему, умноженному на время действия этого напряжения. Существуют красивые схемотехнические решения, позволяющие изготовить из конденсаторов, резисторов и операционных усилителей устройство, обладающее описанным свойством. Такая схема может применяться везде, где применяется катушка индуктивности. Исключением являются силовые устройства, так как интегральный аналог не накапливает энергию в отличие от настоящей катушки индуктивности. Изменение тока эмулируется за счет потребления энергии из цепей питания.

Схема простейшего гиратора, интегрального аналога катушки индуктивности, приведена на рис.9

Рисунок 9

Схема на рис. 9А - простейший пример гиратора. Она действительно имитирует катушку, соединенную с общим проводом, причем не только ее индуктивность, но и внутреннее омическое сопротивление. Для типичных операционных усилителей этот резистор не может быть меньше нескольких килоом. Поэтому получается катушка  с достаточно большим внутренним сопротивлением.

В приведенной схеме сопротивление резистора R1 - определяется нагрузочной способностью операционного усилителя, резистор R2 - порядка 10 кОм.

Принцип работы схемы: приложенное напряжение постепенно заряжает конденсатор C1 через резистор R3. Напряжение на выходе операционного усилителя, благодаря отрицательной обратной связи, меняется так, чтобы поддерживать равенство потенциалов на обоих входах операционного усилителя. Поэтому напряжение на R1 практически равно напряжению на конденсаторе C1 (напряжение на R2 близко к нулю ввиду малых входных токов операционного усилителя). Ток через резистор R1 по закону Ома равен напряжению, деленному на сопротивление. Таким образом, ток через резистор постепенно нарастает со временем пропорционально напряжению на С1. Резистор R1 выбирается много меньше, чем R3, поэтому входной ток схемы практически равен току через R1. Полное входное сопротивление схемы Zвх = (R1+jωC1R1R3), то есть эквивалентная индуктивность катушки Lэкв = C1R1R3, а ее омическое сопротивление равно сопротивлению резистора R1.

Нередко возникает необходимость получить «подвешенную» катушку индуктивности, у которой ни один из выводов не соединен с общим проводом. Для этого можно применить схему, изображенную на рис.9В. Это две схемы по рис.9А, включенные навстречу друг другу. При этом важно обеспечить идентичность номиналов используемых конденсаторов и резисторов. Желательно применение элементов с погрешностью параметров не более 1%.

Во всех схемах используется операционный усилитель с высоким входным сопротивлением.