ТОП 10:

Теоретические сведения для выполнения РГР



Двухтактные каскады. Двух­тактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента (УЭ), работающие на общую нагрузку, выходные токи которых сдвинуты по фазе на 180°. Каждый УЭ с соответствующими цепями образует плечо двухтактного каскада. Обычно говорят, что плечи двухтактного каскада работают в противофазе.

Разновидности принципиальных схем. В за­висимости от способа управления УЭ двухтактные каскады делятся на три типа.

Каскады с параллельным управлением однофазным входным напря­жением. В таких каскадах входной сигнал подается сразу на оба плеча схемы от одного источника сигнала, создающего однофазное напряже­ние, т. е. возбуждение двухтактного каскада ведется от обычного однотактного каскада. Для противофазной работы плеч в каскадах с парал­лельным возбуждением требуются транзисторы с различным типом про­водимости в плечах (p-n-p и n-p-n). Каскады с первым типом управле­ния широко применяются в бестрансформаторных усилителях, которые далее будут рассмотрены.

Каскады с параллельным управлением двухфазным напряжением сразу двух плеч двухтактной схемы от одного источника сигнала. В та­ких каскадах используются однотипные УЭ. Для получения двухфаз­ного напряжения сигнала используются либо специальные фазоинверсные каскады, либо трехобмоточные трансформаторы. Каскады второго типа обычно используются в трансформаторных усилителях.

Каскады с последовательным управлением однофазным напряже­нием. В этих каскадах напряжение от источника сигнала подается на вход первого, ведущего плеча, с выхода которого сигнал прикладыва­ется к входу второго ведомого плеча. В каскадах третьего типа исполь­зуются УЭ с одинаковым типом проводимости, выходная цепь, как пра­вило, бестрансформаторная.

В двухтактных трансформаторных транзисторных каскадах первых двух типов обычно используются схемы включения с ОЭ и ОБ, в бест­рансформаторных — схемы с ОЭ и ОК. При этом возможны режимы как A, так и B. В каскадах третьего типа используются схемы включе­ния транзисторов с ОЭ, реже с ОК; при этом можно применять лишь ра­боту УЭ в режиме A.

Двухтактные бестрансформаторные каскады. Наличие трансформатора в выходной цепи УЭ приводит к ряду существенных недостатков: увеличиваются вноси­мые им частотные, фазовые, переходные и нелинейные искажения; в трансформаторе теряется часть мощности сигнала, что уменьшает КПД каскада; затрудняется введение в усилительный каскад глубокой ООС; невозможно выполнить каскад по интегральной технологии; транс­форматоры громоздки, имеют большую массу и т. д. Этих недостатков нет в усилительных каскадах с непосредственным включением нагруз­ки в выходную цепь УЭ. Однотактные каскады, на практике обычно не используются из-за очень низкого КПД, Широкое распространение получили транзисторные бестрансформа­торные двухтактные каскады, особенно в связи с возможностью реали­зации таких каскадов в виде ИМС.

Схема с параллельным управлением двух­фазным напряжением (простейший двухтактный бестранс­форматорный каскад) представлена в упрощенном виде для переменно­го тока без учета цепей смещения на рис. 1. Транзисторы VI и V2 имеют одинаковую проводимость и включены по схеме с ОЭ. Входные напряжения uвх1 и uвх2 равны по амплитуде и противоположны по фазе; мгновенная полярность этих напряжений, принятая при дальнейших рассмотрениях, показана на схеме. Поскольку переменные состав­ляющие выходных токов транзисторов iк1 и iк2 противофазны из-за различной полярности напряжений uвх1 и uвх2 и текут в нагрузке в разные стороны, то результирующий ток сигнала в нагрузке будет ра­вен сумме токов iк1 и iк2, что свойственно двухтактной схеме. Постоян­ная составляющая тока через Rн равна нулю, так как токи Iср1 и Iср2 в нагрузке, протекая навстречу друг другу, взаимно компенсируются. Преимущество усилительного каскада по схеме

 
 

рис. 1 в отсут­ствии выходного трансформатора. Но наличие сложного входного трансформатора существенно уменьшает достоинства этой схемы. Вход­ной трансформатор
 
 

можно исключить, если использовать для создания противофазных напряжений инверсный каскад с разделенной нагруз­кой. Однако в конструктивном отношении такой вариант неудобен, особенно при изготовлении по интегральной технологии, так как содер­жит довольно много конденсаторов большой емкости.

Схема с параллельным управлением од­нофазным напряжением (рис. 2). В такой схеме уда­ется сделать входной трансформатор более простым: управление обо­ими плечами осуществляется одновременно одним однофазным напря­жением uвх. При этом проводимости транзисторов должны быть раз­личными: транзистор VI имеет проводимость p-n-p, а транзистор V2 n-p-n. Транзисторы в каскаде включены по схеме с ОЭ. При работе, например, в режиме B транзистор VI открывается отрицательным на­пряжением на базе, a V2 — положительным. Следовательно, схема рис. 2 двухтактная, поскольку в течение каждого полупериода сиг­нала один транзистор открыт, а другой закрыт. Токи Iср1 и Iср2 обоих транзисторов в нагрузке текут навстречу друг другу и взаимно ком­пенсируются. Поскольку через нагрузку Rн постоянная составляющая выходного тока Iср не протекает, нагрузку можно подключить к об­щему проводу через конденсатор Ср, при этом оба источника питания можно объединить в один. В полученной схеме осуществляется после­довательное питание транзисторов по постоянному току, ток протека­ет через оба транзистора и источник питания Е. Переменные состав­ляющие токов плеч iк1 и iк2 в нагрузке складываются. Схема рис. 2 называется схемой с дополнительной симметрией.

Поскольку двухтактный каскад по схеме рис. 2 при работе как в режиме А, так и в режиме В управляется однофазным напряжением, его можно получить от обычного резисторного каскада с транзистором, включенным по схеме с ОЭ. При этом входной трансформатор можно исключить. Принципиальная схема такого каскада на одиночных комплементарных транзисторах (пара комплементарных транзисторов ис­пользует сочетание транзисторов n-p-n и p-n-p типа), являющаяся основой для схем современных бестрансформаторных каскадов, по­казана на рис. 3. Одна из особенностей этой схемы — непосредствен­ная связь между каскадами, при этом разделительные конденсаторы между каскадами отсутствуют, что облегчает микроминиатюризацию усилителя. Выходные токи плеч протекают так же, как в каскаде по схеме рис. 2. Отличие состоит в том, что в рассматриваемом каскаде входное напряжение прикладывается между базой транзистора V3 и общим проводом, при этом транзисторы V2 и V3 оказываются включен­ными по схеме с ОК (в схеме рис. 2 транзисторы включены по схеме с ОЭ). Действительно, в схеме рис. 2, например, для транзистора V2 общим электродом для входной и выходной цепей является эмит­тер (схема с ОЭ), а в схеме рис. 3 — коллектор (схема с ОК). При включении транзисторов по схеме с ОК должно быть Uвх > Uвых, поэтому исключение из схемы входного трансформатора привело к про­игрышу в коэффициенте усиления по мощности каскада. Поясним это. Амплитуда входного напряжения Umвх = Umвых + Uтб.э. При пол­ном использовании транзисторов V2 и V3 по напряжению потребова­лась бы амплитуда Umвх = E/2 + Umб.э. Такую амплитуду входного напряжения транзистор V1 не может обеспечить, так как при напряже­нии питания Е этого транзистора в режиме А и при его полном исполь­зовании по напряжению Umвх.макс = Е/2. Поскольку у транзистора есть еще остаточное напряжение, уменьшается коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК, а также КПД каскада, особенно при работе в режиме В, когда КПД прямо пропорционален коэффициенту использования напряжения источника питания ξ. В этом основной не­достаток усилительного каскада по схеме рис. 3. Возможно вклю­чение транзисторов V2 и V3 ипо схеме с ОЭ, но это требует сложных цепей смещения (особенно при работе УЭ в режиме В). Эта схема находит ограниченное применение.

Диод VD в схеме рис. 3 обеспечивает необходимое смещение на транзисторы и температурную стабилизацию положения точки покоя. Сопротивлением нагрузки транзистора V1 по постоянному току слу­жит суммарное сопротивление R + RVD, на сопротивлении диода RVD создается напряжение 2Uб.э0 = U6.э0v2 + Uб.э0v3, сопротивле­нием нагрузки по переменному току — параллельное соединение со­противления резистора R и входного сопротивления транзистора V3. Если при проектировании оконечного бестрансформаторного кас­када отсутствует комплементарная пара транзисторов, то двухтактную схему можно реализовать, исполь­зуя, например, пару Дарлингтона (V3, V4), при этом образуется квазикомплементарная пара. Тогда схема оконечного бестрансформаторного каскада примет вид рис. 4.

От указанных выше недостатков схемы рис. 3 можно освободить­ся, либо используя различные ис­точники питания для транзистора V1 и транзисторов двухтактной схемы, либо (что делается на практике), применяя разновид­ность схемы, показанную на рис. 5. Основное отличие этой схе­мы в том, что нижний конец резистора Rн переключается к минусу источника питания, а резистор R переключается от минуса к точке между конденсатором Ср и нагрузкой.

При этом появляется возможность получить напряжение, достаточ­ное для полного возбуждения транзисторов V2 и V3. Это объясняется тем, что резистор R в схеме рис. 3 находится под значительно мень­шим напряжением, чем в схеме рис. 5, где это напряжение равно сумме напряжений Uтб.э и напряжения эмиттер-коллектор Umк.э выходных транзисторов. По этой причине резистор R потребляет в уси­лителе по схеме рис. 5 заметно меньшую часть переменного тока транзистора V1, что дает возможность увеличить амплитуду сигнала на входе транзисторов V2 и V3 до Umвх = 1,5 Е. Напряжение смеще­ния на транзисторах V2 и V3 создается благодаря протеканию постоянной составляющей тока коллектора Iср1 транзистора V1 по диоду VD. Диод VD обеспечивает температурную стабилизацию режима работы транзисторов V2 и V3. Для стабилизации рабочей точки транзистора V1 введена последовательная межкаскадная ООС по напряжению, способствующая симметрированию каскада.

При использовании мощных транзисторов в бестрансформаторном оконечном каскаде трудно подобрать близкие по характеристикам пары транзисторов разной проводимости (комплементарные пары). В таких случаях двухтактную схему рис. 6 образуют из двух пар составных транзисторов V2, V4 и V3, V5. Транзисторы V4 и V5 мощные с одинаковой проводимостью. Пары составных транзисторов эквивалентны оди­ночным транзисторам соответственно структур p-n-p и n-p-n. Наличие конденсатора C обеспечивает постоянство режима работы транзисторов при изменениях сопротивления нагрузки вплоть до ее обрыва. По­скольку резистор R1 подключен по переменному току параллельно на­грузке, его сопротивление выбирается из условия R1≥ (30÷50) Rн;необходимо также учитывать, что при этом сопротивлении теряется часть напряжения питания транзистора V1. Транзисторы V2 V5 ра­ботают в режиме В. В последнее время наметилась тенденция использо­вания в оконечных каскадах специальных транзисторов с большими коэффициентами усиления тока базы (h21э = 2000 ÷ 7000), Это позволяет обеспечить высокую линейность схемы при значительном отличии h21э транзисторов плеч. Использование таких транзисторов на­ряду с применением глубокой ООС позволяет получить усилитель с kг < l%. В литературе имеются сведения о составных транзисторах, заключенных в общий корпус, с hn3 > 5000 [20].

Для увеличения коэффициента усиления по току можно применить схему изображенную на рис. 7. В усилителе применены составные транзисторы по схеме Шиклон (на комплементарных транзисторах с разной проводимостью). Резисторы R1 и R2 предотвращают смещение транзисторов в область проводимости из-за токов утечки транзисторов. Сопротивление резисторов выбирается таким, чтобы постоянные токи, протекающие через них, не создавали большого падения напряжения. Максимальное сопротивление резисторов ограниченно уменьшением скорости нарастания выходного напряжения и выбирается в пределах сотен Ом. Необходимое усиление по напряжению осуществляется усилителем напряжения выполненным на операционном усилителе А1. Вся схема усилителя охвачена отрицательной обратной связью.

Схема с последовательным возбуждением несимметричным однофазным напряжением (рис. 8). Эту схему можно использовать для построения и бестрансформаторного двухтактного каскада на транзисторах одной проводи­мости. Напряжение сигнала uвх1 поступает на вход нижнего ведущего плеча. Напряжение на вход верхнего ведомого плеча uвх2, противо­положное показе напряжению uвх1, снимается с резистора R5, сопро­тивление которого выбирается таким образом, чтобы Umвх1 = Umвх2. Транзисторы в данном оконечном каскаде включены по схеме с ОЭ, возможно включение и по схеме с ОК. Транзисторы VI и V2 включены по постоянному току последовательно; делитель R1, R2 определяет ис­ходный ток транзисторов, а делитель R3, R4 — распределение на­пряжения между ними. Поскольку подобные каскады используют транзисторы одной проводимости, то можно подбирать мощные тран­зисторы с близкими параметрами, что упрощает выполнение усилите­ля по интегральной технологии. Оконечные каскады с последовательным управлением могут работать только в режиме A и их КПД не пре­вышает 50%. В рассмотренных схемах в качестве предоконечного кас­када использовался однотактный каскад на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ

Предоконечный каскад может быть выполнен по двухтактной схе­ме, а оконечный каскад на попарно-комплементарных составных тран­зисторах. Принципиальная схема такого усилителя показана на рис. 9. Две комплементарные пары образованы соответственно тран­зисторами V4, V5 и V6, V7, включенными по схеме с ОК. Двухтактный предоконечный каскад со­бран на транзисторах VI и V3, на базы которых сиг­нал синфазно подается че­рез конденсаторы С1 и С2. Транзисторы VI и V3 соз­дают токи, управляющие работой транзисторов плеч оконечного каскада. При двухтактном предоконечном каскаде эти токи уве­личиваются в 2 раза по амплитуде. Транзистор V2 обеспечивает смещение и стабилизацию режима ра­боты выходных транзисто­ров, резистор R8 позво­ляет регулировать их ток покоя. Для равномерного распределения напряжения источника питания между транзисторами плеч оконечного каскада (на выходном транзисторе каждого плеча на­пряжение питания должно равняться E/2), в усилителе введена глубо­кая параллельная по напряжению гальваническая ООС через резистор R1, который совместно с резисторами R2, R3 и R4, R5 обеспечивает необходимый режим работы по постоянному току транзисторов V1 и V3. Использование ООС по напряжению позволяет снизить уровень нелинейных искажений, уменьшить выходное сопротивление, снизить фон и т. д. Резисторы R11 и R12 иногда применяются для лучшей ста­билизации тока покоя и некоторого снижения нелинейных искажений сигнала.

Особенностью оконечных и предоконечных каскадов, выполняемых по интегральной технологии, является то, что транзисторы плеч око­нечного каскада часто при большой выходной мощности выполняют с одной и той же n-p-n структурой, т. е. используется некомплементар­ная пара выходных транзисторов. Это обусловлено технологическими трудностями, возникающими при изготовлении по интегральной техно­логии (на одной подложке) мощных комплементарных транзисторов. Поэтому обычно плечи двухтактного оконечного бестрансформаторного каскада в интегральном исполнении представляют собой квазикомпле­ментарную группу.

Пример выполнения работы

Введение

Требуется рассчитать двухтактный усилитель мощности звуковой частоты со следующими параметрами:

· Выходная мощность – 8 Вт;

· Сопротивление нагрузки – 4 Ом;

· Диапазон воспроизводимых частот – 20…15000 Гц.

Выбираем следующую схему усилителя (рис. 7). Для увеличения коэффициента усиления по току в усилителе применены составные транзисторы по схеме Шиклон (на комплементарных транзисторах с разной проводимостью). Резисторы R1 и R2 предотвращают смещение транзисторов в область проводимости из-за токов утечки транзисторов. Сопротивление резисторов выбирается таким, чтобы постоянные токи протекающие через них, не создавали большого падения напряжения. Максимальное сопротивление резисторов ограниченно уменьшением скорости нарастания выходного напряжения и выбирается в пределах сотен Ом. Необходимое усиление по напряжению осуществляется усилителем напряжения выполненным на операционном усилителе А1. Вся схема усилителя охвачена отрицательной обратной связью.

 

Расчет

1. Определим расчетную мощность Pрасч:

2. Определим напряжение источника питания Uи.п:

Uк.э.нас для кремниевых и германиевых транзисторов равно 1,2 ÷ 5В, выбираем Uк.э.нас =1..2,

Uб.э. выбираем равным 0,65В, Uэ=1В.

 

Получаем Uи.п = ± 11.1В

3. Находим амплитуду тока коллектора транзисторов оконечного каскада Iк.макс и среднее значение тока, потребляемого от источника питания Iк.ср:

4. Определяем максимальную мощность рассеивания на коллекторе транзистора одного плеча:

5. Выбираем по справочнику транзисторы VT3 и VT4 руководствуясь следующими соотношениями:

fβ – граничная частота усиления; fв – верхняя частота усилителя

Выбираем транзисторы:

КТ818Б: Uкэ = 50В; Iк = 10А; Pк = 60Вт; fβ ≥ 3МГц; h21э ≥ 20; Iкбо =1000мкА

КТ819Б: Uкэ = 50В; Iк = 10А; Pк = 60Вт; fβ ≥ 3МГц; h21э ≥ 20; Iкбо =1000мкА

6. Выбираем по справочнику транзисторы VT1 и VT2 руководствуясь следующими соотношениями:

Выбираем транзисторы:

ГТ402В: Uкэ = 40В; Iк = 0,5А; Pк = 0,6Вт; fβ ≥ 1МГц; Iкбо =25мкА

ГТ404В: Uкэ = 40В; Iк = 0,5А; Pк = 0,6Вт; fβ ≥ 1МГц; Iкбо =20мкА

7. Выбираем операционный усилитель

К140УД6: Uпит = 5÷20В; Ку = 68 Дб;

8. Номиналы резисторов R1 и R2 подбирают такие, чтобы падение было не более отношения Uвх. мин. / Iкбо. Для этогопредполагаем, что сигнал, действующий на входе двухтактного усилителя, обладает напряжением 10 мВ, тогда зная коэффициент усиления операционного усилителя, находим Uвых операционного усилителя и соответственно Uвх. мин. транзисторов:

Uвх. мин.тр. = Uвых. оу = Ку ∙ Uвх = 68 ∙ 10 = 680 мВ

R1 ≤ Uвх. мин.1 / Iкбо1 = 680 / 25 = 27,2 кОм

R2 ≤ Uвх. мин.2 / Iкбо2 = 680 / 20 = 34 кОм

9. Номинал резистора в обратной связи R3 выберем равным 1кОм.

10. Рассчитаем КПД усилителя по следующей формуле:

η = Pнагрузки/ (Pп1 - Pп2 )

Pп1= Uпит* IΣ =10,5*11,1=116,1

Pп2=Iср*Uпит=2,09*11,1=23,99

=2,09

где = Iб ∙ (h21)1 ∙ (h21)2 = Iк1 + Iк2 суммарный ток составного транзистора, тогда

IΣ = Iк1 + Iк2 = 0,5 + 10 = 10,5А

η = 8 / (116,1-23,99) = 0,061 = 88%

Варианты заданий




Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь - 54.196.2.131