Усилители

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В современной технике часто возникает необходимость усиливать слабые электрические колебания с сохранением их формы.

Усиливаемые электрические колебания называют электрическими сигналами или просто сигналами, а устройства, усиливающие сигналы,- усилителями электрических сигналов, или просто усилителями.

Усиление сигналов производят в усилителе при помощи усилительных элементов, получающих электрическую энергию от источника питания и преобразующих ее в энергию усиливаемых сигналов, Таким образом, усилительные элементы являются своеобразными управляющими устройствами.

Усилители имеют очень широкое применение; без них невозможно звуковое кино, проводное вещание, телевидение, радиосвязь, дальняя проводная связь, радиовещание, радиолокация, радионавигация, радиоизмерения. Кроме того, усилители используются почти во всех областях промышленности, техники и науки; их применяют в автоматике, телемеханике, следящих, управляющих и регулирующих устройствах, счетно-решающих и вычислительных машинах, в аппаратуре ядерной физики и аппаратуре исследования космического пространства, аппаратуре геологической разведки, точного времени, химического анализа, медицинской, музыкальной аппаратуре и многих других случаях.

Классификация усилителей

Усилители подразделяют на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых сигналов их делят на два типа: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.

Усилители гармонических сигналов или, короче, гармонические усилители, предназначены для усиления гармонических сигналов, т. е. периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются сравнительно медленно (много медленнее длительности устанавливающихся процессов в усилителе). К таким усилителям относятся микрофонные усилители, магнитофонные усилители, усилители звукового кино, усилители воспроизведения граммофонной записи, радиовещательные усилители и ряд других.

Усилители импульсных сигналов или, короче, импульсные усилители, предназначены для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов различной величины и формы. Устанавливающиеся процессы в таких усилителях должны протекать очень быстро, значительно быстрее времени установления фронтов усиливаемых импульсов. К импульсным усилителям относятся усилители радиолокационных устройств, усилители сигналов телевизионного изображения (видеоусилители), усилители импульсных систем связи, усилители счетно-решающих устройств, усилители многих систем регулирования и управления и т.д.

По полосе усиливаемых частот усилители делят на: усилители переменного топа, усиливающие сигналы в полосе частот от низшей рабочей частоты fH>0 до высшей рабочей частоты /в, но не усиливающие постоянную составляющую сигналов.

Усилители постоянного тока, усиливающие сигналы в полосе частот от нуля (/н=0) до высшей рабочей частоты fB> усиливающие как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Усилители высокой частоты (УВЧ), усиливающие модулированные сигналы высокой частоты, например электрические колебания радиочастоты, принимаемые антенной радиоприемника.

Усилители низкой частоты (УНЧ), усиливающие электрические колебания первичного непреобразованного сигнала. Свое название, в настоящее время нередко не соответствующее полосе рабочих частот, УНЧ получили в начале развития усилительной техники, когда частоты первичных сигналов не превышали нескольких килогерц (речь, музыка, телеграфные сигналы).

По характеру зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты различают:

Резонансные усилители, у которых усиление изменяется с частотой сигнала по кривой, связанной с законом изменения сопротивления параллельного резонансного контура.

Полосовые усилители, у которых усиление почти постоянно в определенной узкой полосе частот и резко падает за ее пределами; резонансные усилители и полосовые усилители с узкой полосой рабочих частот также называют избирательными или селективными усилителями.

Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот, порядка.

Однотактный каскад усиления мощности

Каскады мощного усиления должны отдавать в нагрузку заданную мощность, поэтому используется весь размах характеристики транзистора (из-за больших амплитуд) с заходом на нелинейный участок. Один из основных показателей - коэффициент нелинейных искажений.

Нелинейные искажения возникают во входной (нелинейность входных характеристик) и в выходной (нелинейность выходных характеристик) цепях.

Учесть эти нелинейности позволяет сквозная характеристика , которую можно построить по точкам входной и выходной характеристик. Строится нагрузочная прямая по переменному току. Для каждой точки находятся значения iк и iб. По входной характеристике находятся значения. Для каждой точки вычисляются значения . По этим точкам строится сквозная характеристика как зависимость . По сквозной характеристике, построенной таким образом, можно определить влияние второй гармоники. Ток коллектора

.

Рассмотрим различные моменты времени.

1) Ток коллектора ;

2) Ток коллектора ;

3) Ток коллектора

Из этих уравнений можно найти значения среднего тока коллектора , амплитуду первой гармоники тока коллектора и амплитуду второй гармоники тока коллектора .

Метод трех ординат дает сведения о влиянии только второй гармоники. Чтобы учесть гармоники более высокого порядка (третью и четвертую), пользуются методом пяти ординат, при котором на характеристике берется пять точек.

Согласование с нагрузкой осуществляется с помощью трансформатора, коэффициент трансформации которого, где и число витков соответственно в первичной и вторичной обмотках. Сопротивление нагрузки, пересчитанное к первичной обмотке , откуда , находится ниже из электрического расчета. С учетом КПД трансформатора

,.

Каскад работает в режиме А.

Ток существует во время всего периода.

В режиме В происходит отсечка тока. Ток существует только во время угла отсечки коллекторного тока. В режиме В . Реально , что соответствует режиму АВ.

Необходимо рассмотреть энергетические соотношения в каскаде. Рассмотрим семейство выходных характеристик.

1) Проведем нагрузочную прямую по постоянному току. Так как по постоянному току нагрузкой транзистора является первичная обмотка трансформатора, чье сопротивление очень мало, то прямая вертикальна

()

2) Выбираем рабочую точку О в середине характеристик.

3) Построим нагрузочную характеристику по переменному току из условия максимального использования характеристик транзистора. Наклон нагрузочной прямой определяет сопротивление нагрузки по переменному току:

,

если это значение сильно отличается от заданного , применяется трансформатор. Значение тока должно быть меньше допустимого значения для данного транзистора.

4) Коэффициенты использования коллекторного тока и напряжения:

, .

5) Колебательная мощность: .

6) Потребляемая мощность: .

7) КПД каскада: . Т. е. КПД каскада при пиковой мощности может достигать . Среднее значение КПД составляет всего 2-4%.

Потребляемую мощность можно представить в виде суммы двух составляющих: колебательной и рассеиваемой на коллекторе мощностей:

.

Потребляемая мощность - величина постоянная, максимальная рассеиваемая - в режиме молчания, когда , . Транзистор выбирается по допустимой мощности .

Основной недостаток режима А - неполное использование транзистора: . Для рабочей схемы необходимо выбрать напряжение питания. У транзистора существует параметр - допустимое напряжение на коллекторе (). В режиме А необходимо, чтобы . Для расчета необходимо знать входное сопротивление и входную мощность транзистора. Входное сопротивление

,

входная мощность

Удвоенные значения амплитуд берутся, так как рабочая точка расположена несимметрично на характеристике. Нелинейные искажения можно определить, построив сквозную характеристику и рассчитав коэффициент гармоник методом трех или пяти ординат. В случае пяти ординат можно определить коэффициент гармоник с учетом первых четырех гармоник:

.

Для различных схем включения зависимости коэффициента гармоник от сопротивления генератора различны.

В схеме с общей базой нелинейные искажения меньше, так как в этой схеме есть отрицательная обратная связь по току на сопротивлении генератора, чем оно больше, тем глубже ОС, тем меньше нелинейные искажения. Схема с общим коллектором требует большего входного напряжения, так как напряжение в данной схеме не усиливается, малые искажения возможны при малых сопротивлениях генератора. Схема применяется в безтрансформаторных каскадах.

Двухтактный каскад усиления мощности

Свойства двухтактного каскада. Данный тип каскадов является основным для каскадов усиления мощности. Разновидности двухтактного каскада - трансформаторный и безтрансформаторный. Особенности трансформаторного каскада: 1) Каскад состоит из двух симметричных плеч;

2) Оба плеча возбуждаются противофазно:

, .

Особенности безтрансформаторного каскада:

1) Транзисторы плечей - комплементарные (то есть разной проводимости и имеющие одинаковые характеристики):

- , - ;

2) Плечи возбуждаются противофазно, инверсия фазы обеспечивается за счет разной проводимости транзисторов.

3) Оба транзистора работают поочередно, в режиме В.

Ток каждого плеча состоит из переменной и постоянной составляющих, переменные составляющие противофазны:

,

В трансформаторном каскаде переменные составляющие токов текут встречно через первичную обмотку трансформатора, образуя разностный магнитный поток, который образует виртуальный разностный ток.

В безтрансформаторном каскаде разностный ток реально существует в нагрузке:

,

постоянная составляющая разностного тока , переменная составляющая , то есть переменные токи плечей суммируются. При симметрии схемы , тогда постоянная составляющая разностного тока равна нулю.

Двухтактные каскады обладают следующими свойствами:

1) В двухтактном каскаде отсутствует постоянный ток подмагничивания трансформатора, поэтому магнитная проницаемость сердечника трансформатора возрастает, поэтому при заданной идуктивности первичной обмотки можно уменьшить габариты трансформатора.

2) В безтрансформаторной схеме через сопротивление нагрузки не протекает постоянный ток, нагрузку можно подключать через разделительный конденсатор.

3) В разностном токе отсутствуют четные гармоники:

,

.

Переменное напряжение на базе , тогда по формулам кратных дуг можно получить выражения для токов коллектора: ,

.

Разностный ток

.

Четные гармоники противофазны, в разностном токе они компенсируются, что позволяет каскаду работать в режиме В при малых нелинейных искажениях.

В режиме В ток коллектора представляет собой последовательность косинусоидальных импульсов. У таких импульсов отсутствуют нечетные гармоники, начиная с третьей (видно из разложения в ряд), четные гармоники компенсируются, в результате остается одна первая. Противофазное плечо дает импульсы противоположной полярности, разностный ток представляет собой целую гармонику. Таким образом, в идеальном случае в двухтактном каскаде отсутствуют нелинейные искажения.

4) В источнике питания трансформаторного каскада отсутствуют нечетные гармоники:

При этом облегчаются требования к цепям развязки для уменьшения паразитной отрицательной обратной связи через цепи питания.

К недостаткам двухтактных схем можно отнести наличие в схеме двух плеч, двух транзисторов; отвода от средней точки в первичной обмотке трансформатора; необходимость выполнения условий симметрии.

Энергетические соотношения в двухтактном каскаде

Амплитуда коллекторного тока для трансформаторного каскада не должна превышать допустимого значения .

Для безтрансформаторного каскада строится нагрузочная прямая

.

Колебательная мощность

.

Постоянный ток в одном плече можно найти из разложения косинусоидальных импульсов: . Мощность, потребляемая двумя плечами: , то есть потребляемая мощность зависит от амплитуды импульсов коллекторного тока, в режиме молчания, каскад не потребляет энергию. Коэффициент использования коллекторного напряжения: . КПД каскада

КПД каскада зависит от амплитуды импульсов коллекторного тока , максимум КПД получается при максимальной амплитуде, если , то . Средний КПД .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора

Для нахождения максимума функции продифференцируем по :

Приравняем производную к нулю, откуда критический коэффициент использования напряжения . Критическое напряжение , ток . Тогда максимальная рассеиваемая мощность



Отношение колебательной и рассеиваемой мощностей:

При пиковой колебательной мощности стремится к единице, тогда , то есть , или . Транзистор выбирается из условия .

В режиме В колебательная мощность для одного транзистора ,а в режиме А - . Как видим, при одном и том же в режиме В колебательная мощность одного транзистора в раз больше, чем в режиме А. Наряду с высоким КПД это обстоятельство является основным преимуществом работы в режиме В.

каскад двухтактный усиление эмиттер

Схемы трансформаторных двухтактных каскадов

Используются в основном схемы с общим эмиттером и общей базой.

1) Классическая схема с общим эмиттером (работа транзисторов в режиме А. Сопротивления R1,R2 - делитель цепи смещения; Rэ - сопротивление термостабилизации, не шунтируется конденсатором, так как при симметрии плеч переменное напряжение на нем не падает из-за противофазности токов плеч. При асимметрии падение переменного напряжения симметрирует плечи (для одного плеча оно образует положительную обратную связь, для другого - отрицательную). Схема работает только в режиме А, так как в режиме В емкости заряжаются при открытых транзисторах и не успевают разрядиться при закрытых, поэтому транзисторы запираются.

2) Схема с дифференциальным каскадом. Вместо сопротивления Rэ можно включить генератор стабильного тока. Транзисторы двухтактного каскада включены по схеме с общим эмиттером. Данная схема обладает минимальной мощностью возбуждения (повышенным коэффициентом усиления), но также большими нелинейными искажениями по сравнению со схемой, где транзисторы включены с общей базой.

3) Схема с общей базой. Сопротивления R1, R2- делитель цепи смещения. Схема с общей базой требует на входе дополнительной мощности для возбуждения, поэтому предоконечный каскад должен также быть усилителем мощности. На выходе каскада получаем большую мощность по сравнению со схемой с общим эмиттером при меньших нелинейных искажениях, так как во входной цепи присутствует последовательная отрицательная обратная связь по току.

Расчет каскада мощного усиления

Расчет каскада мощного усиления с триодом начинают с выбора лампы, подходящей по отдаваемой мощности; если в справочных данных отдаваемая триодом в режиме А мощность не указана, можно ориентировочно подобрать его по допустимой мощности рассеяния на аноде Ра доп, найдя последнюю по приближенной формуле.

Выбрав триод, задаются напряжением на его аноде U&0 порядка 0,7-0,8 от максимально допустимого и рассчитывают ток покоя цепи анода (0,8-0,9)Ра, доп. беря коэффициент 0,8-0,9 при Ра. доп для того, чтобы при колебаниях напряжения питания и разбросе параметров ламп рассеиваемая на аноде мощность не могла превзойти допустимое значение.

Нанеся найденную точку покоя на семействе статических выходных характеристик триода, определяют соответствующее этой точке отрицательное смещение на сетке Uc0\ амплитуду сигнала на сетке обычно берут равной отрицательному смещению. Найдя внутреннее сопротивление триода Рг в точке покоя графическим способом или взяв его из справочника, определяют необходимое сопротивление нагрузки анодной цепи переменному току:

R=(2 + 4)R(6-11)

После, этого через точку покоя проводят нагрузочную прямую, соответствующую найденному и отмечают на ней крайние положения рабочей точки, соответствующие uc = Uсо+cm и ис - = Uco- U ст, значения анодного тока в которых будут равны /Макс

При правильно выбранном режиме значение /Мин в однотактном каскаде должно быть порядка 0,1-0,15 /а0; при меньшем /МИн сильно возрастают нелинейные искажения, а при большем - снижается отдаваемая мощность и падает к.п.д. Для изменения /Мин достаточно изменить UaQ или Ра__

Отдаваемая мощность сигнала Р достаточно точно определяется графически из выражения

С = 0,125(2/ ·2Ј/) = 0,125/? // / \2 (в-12)

Если мощность достаточна, на нагрузочной прямой отмечают точки Uci = с/с0-{-0,5 Uсгп и uC2 = Ucq - 0,5 Uст, отсчитывают соответствующие этим точкам значения Йл и /2, после чего по формулам (4-3) находят /im, hm, hm, hm, /ср и рассчитывают коэффициент гармоник каскада при однотактной схеме по формуле (2-15), а при двухтактной- по формуле (6-8).

В двухтактном каскаде с триодами значение /мин вследствие компенсации четных гармоник можно снизить до (0,05-0,07) /а0, что увеличит отдаваемую каскадом мощность и его к.п.д.

Пример 6-1. Рассчитаем однотактный каскад мощного усиления с триодом в режиме А, работающий через выходной трансформатор на электродинамический громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки 2 = 4 ом. Каскад должен отдавать в громкоговоритель мощность сигнала Яг З вт при коэффициенте гармоник kv не выше 6%.

Согласно табл. 5-2 к. п. д. выходного трансформатора на мощность 3 вт целесообразно взять равным примерно 0,8; отсюда мощность, которую должен отдать каскад, составит:

Рис. 1

Из выпускаемых промышленностью триодов подходящим по мощности рассеяния на аноде является триод прямого накала с малым м типа 6С4П, имеющий Ра.доп = 15 вт. Зададимся напряжением на аноде [/ао=275 в, что много ниже максимального, равного для этой лампы 360 в, и найдем ток покоя

Отметив положение точки покоя на семействе статических выходных характеристик (точка О на рис. 6-3), найдем, что она соответствует напряжению отрицательного смещения на сетке - 53 в; следовательно, максимальная амплитуда напряжения сигнала также может быть взята равной 53 в. При этом мгновенное значение напряжения на сетке будет изменяться в пределах от 0 в до -106 в. Определив внутреннее сопротивление триода в точке покоя, найдем, что оно составляет примерно 900 ом (указанное в справочных данных значение г=840 ом мало отличается от найденного). Взяв Ri, получим сопротивление анодной нагрузки триода:

Ra_ == 3R; = 3-900 = 2 700 ом.

Проведя через точку покоя нагрузочную прямую, соответствующую /са-=2 700 ом (прямая 1 на рис. 6-3), увидим, что минимальное значение анодного тока, соответствующее ас=-106 в, близко к нулю; это плохо, так как коэффициент гармоник получится чрезмерно большим, Поэтому увеличим R&^ для определения нужного его значения возьмем нормальную величину /мин порядка 0,125 /ао, что составит примерно 6 ма, и найдем на статической характеристике для ис=-106 в точку Л, где ток анода равен 6 ма. Проведя через точки О и Л прямую 2, увидим, что она отсекает на координатных осях отрезки U и, равные 455 в и 114 ма; отсюда сопротивление нагрузки анодной цепи, которому соответствует новая нагрузочная прямая, равно:

Пересечение этой прямой с характеристикой для ис=0 (точка Б) дает значение /Макс, равное 94 ма; отсюда отдаваемая мощность

Для определения коэффициента гармоник отметим на нагрузочной прямой точки, соответствующие половине положительной и половине отрицательной амплитуды сигнала, что при отрицательном смещении в 53 в даст -26,5 и -79,5 в (точки В и Г). Эти точки соответствуют токам h и /2 в 69 и 23 ма. Подставив значения /Макс» Л, /ао, h, /мин в формулы (4-3), найдем, что гармонические составляющие и среднее значение анодного тока в данном случае равны:

hm = 44,7 ма; 12т = 2 ма; 13т = - 0,67 ма; /4т = 0,67лш; /ср = 47,3 ма.

Расчет коэффициента гармоник, произведенный по формуле (2-15), дает для этих данных значение kv, равное 5%, что удовлетворяет поставленным условиям.

Для того, чтобы усиление каскада не упало от влияния RK, последний следует зашунтировать конденсатором Ск, расчет емкости которого дан на стр. 218.

Если активное сопротивление первичной обмотки трансформатора равно 320 ом, то необходимое напряжение источника анодного питания составит:

Еа = UaQ + /ср rx + Uсо = 275 + 0,0473-320 + 53 ж 343 в.

Коэффициент полезного действия анодной цепи с учетом потерь в трансформаторе и катодном смещении будет равен

С-\ј 3,87-0,8 n~~IcPEa ~~ 0,0473-343 ~u,iy-iy/0,

с учетом же мощности накала триода, равной 6,3 вт, к.п.д. каскада снижается до 13,8%.

Из приведенного примера видно, что триод в режиме А дает нелинейные искажения в основном по второй гармонике; поэтому в .двухтактной схеме коэффициент гармоник триода сильно уменьшается.

Расчет каскада с экранированной лампой

Достоинствами каскада мощного усиления с экранированной лампой являются более высокий к. п. д., чем у каскада с триодом, и меньшая амплитуда входного сигнала при равной выходной мощности. К его недостаткам относятся: несколько больший коэффициент гармоник, состоящий в основном из сильнее сказывающейся на качестве передачи третьей гармоники, и значительное ухудшение свойств при изменении сопротивления нагрузки в любую сторону от оптимального.

Вследствие указанных достоинств в ламповых каскадах мощного усиления малой мощности, работающих в режиме А, почти всегда применяют экранированные лампы. При работе таких каскадов на Переменную нагрузку принимают специальные меры, указанные на стр. 156-157.

Из-за своеобразной формы статических выходных характеристик экранированных ламп (пентодов и лучевых тетродов) при неизменном напряжении питания и неизменной амплитуде сигнала отдаваемая мощность Р_ при увеличении Ra вначале быстро растет, а затем почти не изменяется (рис. 6-4, кривая Р„).

При малом сопротивлении анодной нагрузки экранированная лампа дает нелинейные искажения в основном по второй гармонике, как и триод, но при увеличении Ra вторая гармоника падает, и, пройдя через нулевое значение, вновь возрастает (кривая kr2). Третья же гармоника, даваемая экранированной лампой, непрерывно растет при увеличении Ra (кривая &гз).

Предмощные каскады

Назначение и предъявляемые требования

Предмощным каскадом называют каскад, подающий сигнал на каскад мощного усиления с токами сетки; к нему предъявляются особые требования.

В момент прохождения сеточного тока в цепи сетки мощного каскада этот ток нагружает предыдущий каскад, вследствие чего выходное напряжение последнего падает на величину, равную произведению мгновенного значения тока сетки ic на выходное сопротивление предыдущего каскада.

Рис. 2

Так как сеточный ток связан с напряжением на сетке нелинейной зависимостью и протекает лишь часть периода, форма напряжения сигнала на сетке лампы следующего каскада от влияния сеточных токов искажается.

Поэтому при работе каскада мощного усиления с токами сетки выходное сопротивление предмощного каскада вызывает в цепи сетки лампы мощного каскада появление дополнительных нелинейных искажений, увеличивающих коэффициент гармоник усилителя.

Для того чтобы эти дополнительные искажения были малы, выходное сопротивление предмощного каскада должно быть много меньше сопротивления сетка - катод лампы мощного каскада в момент прохождения сеточного тока. Кроме того, цепь сетки мощного каскада должна иметь малое сопротивление постоянному току, так как иначе сеточное токи создадут значительное дополнительное отрицательное смещение на сетке лампы мощного каскада. Если выходное сопротивление предмощного каскада переменному току не превышает 0,2-0,3 сопротивления сетка - катод лампы мощного каскада Rc к, коэффициент гармоник от влияния токов сетки обычно возрастает не более чем на 2-3%. Это допустимо для усилителей большой мощности, так как их коэффициент гармоник снижают до нужного значения отрицательной обратной связью.

Значение Rc к мощного каскада, работающего с токами сетки, находят следующим образом. Определив для верхней точки нагрузочной прямой значение анодного напряжения на мин по семейству статических характеристик тока управляющей сетки для различных напряжений на аноде находят максимальное значение сеточного тока / Ст, соответствующее напряжению на аноде на мин и напряжению на управляющей сетке Немане* Величину Rc.k узнают, поделив максимальную расчетную амплитуду сигнала на сетке V cm .

Схемы предмощных каскадов и основы их расчета

Указанным выше требованиям удовлетворяют несколько схем, две из которых - трансформаторная, схема и дроссельная схема с катодным выходом - являются наиболее употребительными.

Трансформаторный предмощный каскад одновременно является инверсным. Для быстрого гашения нестационарных процессов, возникающих в трансформаторе от прохождения через его вторичную обмотку импульсов сеточного тока и искажающих форму сигнала, половины вторичной обмотки шунтируют резисторами Rm р, сопротивление которых рассчитывают по формуле (5-24) и которые обеспечивают активность нагрузки трансформатора. Для этой же цели индуктивность рассеяния трансформатора, особенно индуктивность рассеяния между половинами его вторичной обмотки, делают возможно меньшей.

При использовании в трансформаторном предмощном каскаде триода, что обычно и имеет место, коэффициент трансформации трансформатора п„, равный отношению числа витков половины вторичной обмотки к числу витков первичной, находят, исходя из допустимого выходного сопротивления по формуле лп =-= 1/ -г-- , 6-34

где г"2п - омическое сопротивление половины вторичной обмотки; г - омическое сопротивление первичной обмотки; Ri - внутреннее сопротивление триода предмощного каскада в точке покоя.

Для получения достаточного коэффициента трансформации омическое сопротивление обмоток должно быть малым, что заставляет брать к.п.д. трансформатора предмощного каскада высоким (порядка 0,9 и выше) и приводит к его большим размерам и стоимости.

Коэффициент усиления трансформаторного предмощного каскада с триодом определяют по выражению

Кср = 2 (6-35)

В таком каскаде может быть использована и экранированная лампа (тетрод или пентод); при этом первичную обмотку трансформатора шунтируют резистором Ri такой величины, чтобы суммарное сопротивление нагрузки оказалось оптимальным с точки зрения отдаваемой лампой мощности. При экранированной лампе пп и /Сср находят по формулам.

Рис. 3 - Схема трансформаторного предмощного каскада

Напряжение отрицательного смещения на сетке предмощного каскада берут, как и в обычном каскаде предварительного усиления, на 0,5-1 в больше максимальной расчет ной амплитуды сигнала; если при этом положение точки покоя не обеспечивает работу каскада в режиме А, заменяют лампу на более мощную. Трансформаторный предмощный каскад из-за вносимых им дополнительных искажений от нестационарных процессов в трансформаторе и трудности введения отрицательной обратной связи применяют лишь в усилителях небольшой мощности невысокого качества, где обратная связь имеет небольшую глубину или вовсе отсутствует.

В высококачественных усилителях большой мощности, работающих с токами сетки и имеющих глубокую отрицательную обратную связь для снижения искажений и помех, используют дроссельный предмощный каскад с катодным выходом (рис. 6-26), не имеющий недостатков трансформаторного. Такой каскад является двухтактным и может работать как в режиме А, так и в режиме В, но требует подачи на вход симметричного относительно общего провода напряжения сигнала большой амплитуды, так как его коэффициент усиления напряжения, как у катодного повторителя, немного меньше единицы.

В дроссельном предмощном каскаде можно применять как триоды, так и экранированные лампы. Выходное сопротивление плеча такого каскада при работе его в режиме В равно примерно 1/SK, где SK - крутизна катодного тока каждой из ламп, и может быть порядка 100 ом и ниже; при работе его в режиме А оно почти вдвое ниже этой величины. Вследствие малого выходного сопротивления дополнительные нелинейные искажения от токов сетки здесь получаются незначительными.

Лампы для каскада выбирают такие, которые могут при работе без токов сетки обеспечить импульс анодного тока, в 1,5-2 раза превышающий максимальное расчетное значение импульса сеточного тока плеча мощного каскада. Напряжение источника питания анодной цепи предмощного каскада берут таким, чтобы каскад мог отдать амплитуду переменной составляющей выходного напряжения на 20-30% больше максимальной расчетной амплитуды напряжения сигнала на управляющих сетках мощного каскада.

Безтрансформаторный каскад усиления мощности

Безтрансформаторные каскады обладают меньшими массогабаритными параметрами, в них отсутствуют линейные и нелинейные искажения за счет трансформатора.

1) Схема на комплементарных транзисторах.

Транзистор - n-p-n типа, - p-n-p типа, инверсный каскад не требуется. Транзистор открывается положительной полуволной, транзистор - отрицательной, инверсия фазы происходит в самом каскаде. Транзисторы работают в режиме В. По постоянному току транзисторы включены последовательно, по отношению к сопротивлению нагрузки Rн - параллельно, это позволяет выбирать величину нагрузки, необходимую для согласования с транзисторами. Недостаток схемы - наличие внутренней точки для подачи входного сигнала, два источника сигнала.

Транзисторы включены по схеме с общим коллектором, и схема представляет собой комплементарный эмиттерный повторитель.

Если смещение на базах транзистора отсутствует, то амплитудная характеристика нелинейная. Для устранения нелинейности на базы подают небольшой ток смещения.

2) Схема с цепью смещения. ДиодыVD1,VD2задают смещение порядка 0,7 B, смещение между базами составляет примерно 1,4 B. СопротивленияR1,R2 задают ток смещения Iсм.

Вместо диодов могут быть включены термисторы. Диоды устанавливаются на радиаторы транзисторов, выполняя, таким образом, функцию термокомпенсации.

3) Схема на составных комплементарных транзисторах.

Применяется для увеличения коэффициента усиления и увеличения входного сопротивления. На сопротивленияхR1,R2 задают падение напряжения по 0,4 B. Напряжение на базоэмиттерных переходах транзисторовVT1, VT2, тогда смещение между базами транзисторов VT1, VT2 составляет(0,7+0,4)2=2,2 B. Выходные транзисторы VT3, VT4находятся в запертом состоянии, на их базах по 0,4 B, открываются они только сигналом большой амплитуды. При больших мощностях трудно подобрать комплементарную пару, поэтому часто используют выходные транзисторы одинаковой проводимости.

4) Квазикомплементарная схема.

На сопротивлениях R1, R2 задают падение напряжения по0,4 B. Смещение между базами транзисторовVT1, VT2составляет 0,7*2+0,4=1,8 B. Транзисторы VT3, VT4 одинаковой проводимости, но составные пары имеют разную проводимость, так как она определяется проводимостью входных транзисторов.При симметрии плеч через сопротивление нагрузки не протекает постоянный ток, нагрузку можно подключить через разделительный конденсатор и использовать несимметричный источник питания.

5) Квазикомплементарная схема с несимметричным источником питания.

Разделительный конденсатор Cp большой емкости (500-1000 мкФ). Такая емкость необходима при малом сопротивлении нагрузки, чтобы обеспечить искажения не больше заданных. Во время работы VT3 Cp заряжается. При закрытом транзисторе VT3 напряжение на Cp является напряжением питания для транзистораVT4, через который он разряжается. Переменные токи обоих плеч суммируются в фазе. Наличие разделительного конденсатора Cp усложняет конструкцию, но защищает сопротивление нагрузки от тока короткого замыкания в случае пробоя транзисторов, упрощает конструкцию источника питания.

Пара транзисторов VT1, VT3 образуют составной транзистор n-p-n типа, включенный по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Пара транзисторов VT2, VT4 образуют два каскада с общим эмиттером. Выходное напряжение каскада включено в цепь эмиттера транзистора VT2, образуя глубокую последовательную отрицательную связь по напряжению, из-за чего плечо имеет высокое входное, низкое выходное сопротивления, фаза напряжения не поворачивается, коэффициент усиления по напряжению близок к единице, то есть плечо обладает свойствами схемы с общим коллектором, таким образом, достигается симметрия плеч.

Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь усилительного элемента без выходного трансформатора позволяет устранить вносимые трансформаторы частотные, фазовые, переходные и нелинейные искажения, снизить размеры, вес и стоимость каскада, повысить его к. п. д. и избавиться от дополнительных нелинейных искажений из-за отсечки тока выходной цепи в режиме В.

Однако в обычных схемах непосредственное включение нагрузки в выходную цепь невозможно по ряду причин, одной из которых является прохождение через нагрузку постоянной составляющей выходного тока усилительных элементов, в большинстве случаев недопустимое для нагрузки и снижающее к.п.д. каскада вследствие потерь мощности от постоянной составляющей тока в сопротивлении нагрузки. Кроме того, при непосредственном включении нагрузки отсутствует возможность трансформации ее сопротивления, и для получения высокого к.п.д. каскада и хорошего использования усилительных элементов нагрузку приходится брать с сопротивлением, оптимальным для усилительных элементов (специальные громкоговорители с повышенным сопротивлением и т.п.).

Прохождение постоянной составляющей тока через нагрузку и обусловленное этим снижение к.п.д., а также вносимые трансформатором искажения и потери отсутствуют в бестрансформаторном двухтактном каскаде с параллельным (несимметричным) выходом, три варианта схемы которого даны на рис. 6-28; для упрощения здесь не показаны цепи подачи смещения на управляющие электроды усилительных элементов.

В вариантах рис. 6-28, б и б питание выходных цепей производится от двух одинаковых источников питания, соединенных последовательно, или одного источника с средней точкой. Здесь через нагрузку RH, включенную в средний провод питания, не проходит постоянная составляющая тока, так как постоянные составляющие токоз питания плеч /cpi и /СР2, равные по величине, в том проводе направлены в противоположные стороны, а поэтому компенсируются. Переменные же составляющие токов плеч Й^й и /-^2 проходят через нагрузку в одном направлении и складываются. Симметричное напряжение сигнала на вход каскада подают, как и при обычной двухтактной схеме, от трансформаторного или бестрансформаторного инверсного каскада.

Нетрудно видеть, что в таком каскаде усилительные элементы по отношению к источнику питания (т.е. по постоянному току) включены последовательно, а по отношению к нагрузке (или по переменному току) - параллельно; последнее снижает расчетное со противление нагрузки и приближает его к сопротивлению обычных электродинамических громкоговорителей.

Рассмотренный каскад может работать как в режиме А, так и в режиме В; для него пригодны как электронные лампы любых типов, так и транзисторы. При транзисторах каскад упрощается, так как здесь отпадает надобность в отдельных обмотках накала для ламп в различных плечах, катоды которых находятся под неодинаковым потенциалом относительно общего провода схемы. Кроме того, при транзисторах нередко удается так подобрать напряжение питания и режим работы каскада, что имеющееся сопротивление нагрузки оказывается оптимальным, что повышает отдаваемую каскадом мощность и его к.п.д.

При использовании в бестрансформаторном каскаде электронных ламп оптимальное сопротивление нагрузки оказывается во много раз выше сопротивления звуковой катушки обычного электродинамического громкоговорителя; поэтому такой каскад хорошо работает лишь на специальный громкоговоритель с повышенным сопротивлением. Если такого громкоговорителя нет, можно использовать обычный низкоомный громкоговоритель, включив его к точкам А и Б через трансформатор с нужным коэффициентом трансформации. В этом случае каскад, разумеется, будет уже не бестрансформаторным, но трансформатор будет обычным, без отвода от средней точки первичной обмотки и без постоянного подмагничивания сердечника. При работе такого каскада в режиме В искажений из-за отсечки тока в выходной цепи не будет, так как в обмотках трансформатора отсечки тока нет.



Рис. 4 - Схемы бестрансформаторных двухтактных каскадов с параллельным выходом: а - с лампами и двумя источниками анодного питания; б - с транзисторами и одним источником коллекторного питания со средней точкой; в - то же с источником питания без средней точки, но с разделительным конденсатором в цепи нагрузки

Литература

1. В. Майоров, С. Майоров Усилительные устройства на лампах, транзисторах и микросхемах.

2. Расчет схем на транзисторах. Пер. с англ. - М.: Энергия, 1969.

3. Цыкин Г.С. Электронные усилители - М.: Связь, 1965.

4. Ксояцкас А.А. Основы радиоэлектроники - М., 1988.

Размещено на Allbest.ru