Слайд 1УСИЛИТЕЛИ
АНАЛОГОВЫХ
СИГНАЛОВ
Компьютерная Электроника и Схемотехника
2012
Слайд 2ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИ-ЛИТЕЛЕЙ
ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В
УСИЛИТЕЛЯХ
ВЛИЯНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ НА ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИ-ЛИТЕЛЕЙ
УСТОЙЧИВОСТЬ УСИЛИТЕЛЕЙ С ОБРАТНОЙ
СВЯЗЬЮ
КЛАССЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Слайд 3ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Важнейшими характеристиками усилителя являются:
коэффициент
усиления,
полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилителя),
входное и выходное
сопротивление,
выходная мощность,
степень искажения выходного сигнала и др
Слайд 4 КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов
усилителя.
В зависимости от типа усиливаемой величины различают
коэффициенты усиления:
по напряжению kU = ΔUвых / ΔUвх;
по току kI = ΔIвых / ΔIвх;
по мощности kP = ΔРвых / ΔРвх = kU • kI.
При последовательном (каскадном) соединении нескольких усилительных устройств общий коэффициент усиления определяется произведе-нием их коэффициентов:
kобщ = k1 • k2 • …• kn.
Слайд 5В общем случае коэффициенты усиления являются комплексными величинами, что отражает
наличие фазовых искажений усиливаемого сигнала.
В электронике и автоматике широко используют
логарифмические единицы оценки коэффициента усиления, которые выражаются в дециБелах:
kP [дБ] = 10 lg (Рвых / Рвх) = 10 lg kP.
Слайд 6Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, то для коэффициентов
усиления по току и напряжению можно записать:
kU [дБ]
= 20 lg (Uвых / Uвх) = 20 lg kU;
kI [дБ] = 20 lg (Iвых / Iвх) = 20 lg kI.
Логарифмическая мера оценки удобна при анализе многокаскадных усилителей, потому что общий коэффициент усиления при переходе к логарифмическим единицам измерения определяется суммой коэффици-ентов усиления отдельных каскадов:
kобщ[дБ] = k1[дБ] + k2[дБ] + …+ kn[дБ].
Слайд 7ПОЛОСА УСИЛИВАЕМЫХ ЧАСТОТ – диапазон рабочих частот ΔF, в пределах
которого коэффициент усиления по напряжению (или току) не снижается ниже
значения от своего максимального значения.
Зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала называется АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ (АЧХ) усилителя.
Минимальная частота усилителя Fн определяется по точке, в которой коэффициент усиления по напряжению уменьшается в корень из двух раз по сравнению с максимальным значением kU_макс. Аналогично определяется максимальная частота усилителя Fв.
Слайд 8Если коэффициент усиления определяется в дециБелах, то значениям граничных частот
Fн и Fв соответствует уменьшение коэффициента усиления на 3 дБ.
Уменьшению
на 3 дБ коэффициента усиления по мощности на граничных частотах соответствует уменьшение коэффициента усиления по мощности в 2 раза
Амплитудно-частотная
характеристика усилителя
Слайд 9На практике часто амплитудно-частотные характеристики строят в логарифмическом масштабе (как
по оси частот f, так и по оси коэффициента усиления
kU) и вместо плавных изогнутых линий используют кусочно-линейную аппроксимацию.
Логарифмическая амплитудно-
частотная характеристика усилителя
Слайд 10Такие линейные асимптотические графики в логарифмическом масштабе называют – логариф-мические
амплитудно-частотные характеритсики – ЛАЧХ.
Максимальное расхождение между реальной амплитудно-частотной характеристикой
и её кусочно-линейной аппроксимацией получается не более 3 дБ в точках, соответствующих нижней и верхней частоте (Fн, Fв) усилителя.
В этих же точках происходит изменение наклона асимптотических ЛАЧХ, поэтому такие частоты называются – частотами сопряжения (или сопрягающими частотами).
Слайд 11ВХОДНОЕ И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ – важнейшие параметры усилительных устройств. Их
значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником
входного сигнала, так и с нагрузкой.
В общем виде значения входного и выходного сопротивления носят комплексный характер и являются функциями частоты.
Входное и выходное сопротивления определяются выражениями:
Zвх(f) = Uвх(f) / Iвх(f) при Rн = const;
Zвых(f) = {Uвых_хх(f) – Uвых_нагр(f)} / Iнагр(f)
Слайд 12ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ В УСИЛИТЕЛЕ связано, во-первых, с нелинейной зависимостью приращений
выходного сигнала от приращений входного, обусловленной нелинейностью ВАХ применяемых элементов,
и, во-вторых, с частотной зависимостью комплексных коэффициентов передачи усилителей.
Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению ко входному:
нелинейные искажения и
амплитудно-фазовые искажения (линейные искажения), в результате которых изменяется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала.
Слайд 13Причина возникновения нелинейных искажений поясняется на рис.
При воздействии на
вход усилительного устройства гармонического (синусоидального) сигнала с частотой F1, выходное
напряжение или ток кроме гармонического сигнала с частотой F1 будет содер-
0,2
0,4
Iб, мА
0,4
0,8
Uбэ, В
t
t
Iб
Искажения формы входного
сигнала из-за нелинейности входной ВАХ
жать ряд дополните-льных гармоник с частотами, кратными F1.
Слайд 14Появление этих гармоник обусловлено нелинейной зависимостью коэффициента усиления от величины
входного сигнала.
Наличие нелинейных искажений всегда связано с появлением на
выходе усилителя дополнительных, отсутствующих на входе, гармонических составляющих сигнала.
Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (или коэффициент гармоник, clear factor) Кни или Кгарм, в основу которого положена оценка относительной величины высших гармоник к основной гармонике в выходном сигнале:
Слайд 15Частотные амплитудно-фазовые искажения (линейные искажения) усилительного устройства оценивают по виду
его амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик (АЧХ и ФЧХ).
Идеальные (с
точки зрения отсутствия частотных искажений) амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики имеют постоянные значения во всем диапазоне усиливаемых частот.
Однако на практике это условие трудно обеспечить. Поэтому возникающие амплитудно-частотные искажения можно оценить количественно с помощью коэффициента частотных искажений М, численно равному отношению коэффициента усиления в области средних частот к коэффициенту усиления для заданной частоты:
М(f) = kU(fср) / kU(f) [ разах, дБ ].
Слайд 16ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ
Понятие "ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ" (ОС) относится к
числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники
и употребляется сейчас в широком смысле.
В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного параметра с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции.
В общем случае сигнал обратной связи может либо суммироваться с входным, либо вычитаться из входного сигнала усилителя.
В зависимости от этого различают положительную и отрицательную обратные связи.
Слайд 17Отрицательная обратная связь (ООС) – это процесс передачи части выходного
сигнала обратно на вход усилителя в противофазе, при этом погашается
часть входного сигнала.
Для ООС сигнал обратной связи Uвых • bос подается в противофазе по отношению ко входному сигналу Uвх, т.е. сигнал обратной связи вычитается из входного:
Слайд 18 Uвых = Uвх_сум • kU
Uвх_сум = Uвх
– Uвых • bос
Коэффициент усиления по напряжению с ООС равен:
kU_ООС
= Uвых / Uвх = kU / (1 + bос • kU).
Введение в усилитель ООС уменьшает коэффициент усилиния.
Величину (1 + bос • kU) обычно называют глубиной обратной связи.
Слайд 19Для ПОС сигнал обратной связи Uвых • bос подается в
фазе по отношению ко входному сигналу Uвх, т.е. сигнал обратной
связи суммируется с входным:
Uвых = Uвх_сум • kU
Uвх_сум = Uвх + Uвых • bос
Поэтому:
kU_ПОС = Uвых / Uвх = kU / (1 – bос • kU).
Введение в усилитель положительной обратной связи (ПОС) увеличивает коэффициент усиления.
Слайд 20Если коэффициент передачи цепи обратной связи bос достигнет значения 1/kU,
то знаменатель в обращается в нуль, т.е. коэффициент усиления с
ПОС равен бесконечности.
При дальнейшем увеличении bос – коэффициент усиления kU_ПОС становится отрицательным.
Такой усилитель становится неустойчивым, появляется неоднозначность состояния – триггерные свойства – или усилитель превращается в генератор переменного напряжения.
Слайд 21По способу передачи выходного сигнала ОС разделяется на:
ОС по выходному
напряжению – с выхода снимается часть напряжения сигнала и подается
на вход схемы;
ОС по выходному току – последовательно с нагрузкой включается резистор; напряжение, выделяемое на этом резисторе, пропорцио-нально выходному току; это напряжение по цепи обратной связи подается на вход усилителя.
Слайд 22По способу подачи сигнала на вход усилителя ОС разделяется на:
последовательная
ОС – сигнал ОС подается на вход усилителя последовательно с
источ-ником входного сигнала; в этом случае на входе усилителя выполняется алгебраическое суммирование напряжений;
параллельная ОС – сигнал ОС подается на вход усилителя параллельно с источником входного сигнала; в этом случае на входе усилителя происходит алгебраическое суммирование токов.
Слайд 23Комбинируя два способа передачи выходного сигнала и два способа подачи
сигнала ОС на вход усилителя, можно получить четыре схемы усилителей
с обратной связью:
Слайд 24На этих рисунках усилитель с коэффициентом усиления kU (изображен как
четырехполюсник) имеет два входа (неинвертирующий и инвертирующий) и два выхода.
Цепь
обратной связи с коэффициентом передачи «bос» также обозначена в виде четырехполюсника.
Последовательная ОС по выходному напряжению
bос
Rн
Uвх
Последовательная ОС по выходному току
bос
Rн
Uвх
Iвых
Rдоб
Слайд 25ВЛИЯНИЕ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ НА ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
ПОЛОСА
УСИЛИВАЕМЫХ ЧАСТОТ. Введение ООС всегда расширяет полосу усиливаемых частот.
По
рис. можно понять термин «площадь усиления» усилителя: S = kU • Fв.
Слайд 26Если усилитель охвачен цепью ООС, глубина которой (1 + bос
• kU) = 10. Тогда коэффициент уси-ления с ООС равен:
kU_ООС = kU / (1 + bос • kU) = kU / 10,
т.е. коэффициент усиления уменьшился на 20дБ.
При этом значение верхней частоты полосы пропус-кания усилителя, охваченного ООС, увеличилось:
Fв_ООС = Fв • (1 + bос • kU)
в 10 раз.
Для усилителя, охваченного отрицательной обратной связью «площадь усиления» не изменяется:
S = kU • Fв = SООС = kU ООС • Fв_ООС .
Слайд 27НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ. Введение в усилительное устройство цепи ООС снижает как
коэффициент нелинейных искажений Кни, так и влияние на его выходной
сигнал внешних помех:
Кни_ООС = Кни / (1 + bос • kU),
т.е. глубина обратной связи – (1 + bос • kU) – в этом выражении учитывает степень уменьшения нелинейных искажений.
Введение ООС является наилучшим способом уменьшения искажений и наводимых помех, когда остальные методы линеаризации усилителя уже исчерпаны.
Слайд 28ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Изменение входного сопротивления усилителя, охвачен-ного цепью ООС, зависит
только от способа ее введения во входную цепь устройства и
не зависит от того, каким образом этот сигнал получен на выходе.
Введение в усилитель последовательной ООС в глубину отрицательной обратной связи раз увеличивает его входное сопротивление:
Zвх_ООС = Zвх (1 + bос • kU),
где : Zвх – входное сопротивление усилителя без ООС.
Слайд 29Увеличение входного сопротивления можно объяснить следующим образом:
при введении последовательной
ООС на входе усилителя действует разность напряжений Uист – UООС
, что при заданном значении источника входного сигнала Uист приводит к фактическому уменьшению входного тока Iвх;
поэтому входное сопротивление усилителя с цепью ООС, равное: Zвх_ООС = Uист / Iвх – увеличивается.
Слайд 30При введении ПОС ситуация меняется на противоположную. Напряжение ПОС складывается
на входе усилителя с напряже-нием источника входного сигнала, что приводит
к увеличению входного тока – это эквивалентно уменьшению вхолного спротивления:
Zвх_ПОС = Zвх (1 – bос • kU).
При значении bос = 1 / kU входное сопротив-ление усилителя Zвх_ПОС становится нуле-вым, а при bос > 1 / kU – входное сопротив-ление становится отрицательным.
Слайд 31Введение в усилитель параллельной ООС уменьшает входное сопротивление, так как
фактически увеличивается ток, вытекающий из источника входного напряжения, за счет
тока, протекающего в цепи ООС.
Слайд 32ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ усили-тельного устройства, охваченного цепью обратной связи, зависит только
от способа снятия сигнала обратной связи и не зависит от
того, каким образом этот сигнал введен в его входную цепь.
Введение в усилитель ООС по выходному напряжению уменьшает его выходное сопротивление в глубину отрицательной обратной связи раз:
Zвых_ООС = Zвых / (1 + bос • kU).
Слайд 33Любая ООС стремится поддержать неизменным значение того параметра, который используется
для получения сигнала обратной связи.
Поэтому ООС по напряжению при
действии внешних возмущений (в частности – изменении выходного тока при изменении сопротивления нагрузки) стремится поддер-жать неизменным значение выходного напряжения усилителя, т.е.
приближает выходное напряжение усилителя к идеальному источнику переменного напряжения (обладающего минимальным выходным сопротивлением).
Слайд 34Для случая усилителя с ПОС по выходному напряжению получим:
Zвых_ПОС = Zвых / (1 – bос
• kU).
При bос > 1/ kU – выходное сопротивление усилителя становится отрицательным.
Слайд 35Введение в усилитель ООС по выходному току увеличивает его выходное
сопротив-ление:
Zвых_ООС = Zвых + Zдоб
• bос • kU ,
где: Zдоб – сопротивление добавочного резистора Rдоб, включенного в цепь протекания выходного тока усилителя.
ООС по выходному току стремится поддерживать неизменным контролиру-емый параметр – выходной ток, приближая выходную цепь усилителя по свойствам к идеальному источнику переменного тока, обладающего большим выходным сопротивлением.
Слайд 36Для случая усилителя с ПОС по выходному току получим:
Zвых_ООС = Zвых – Zдоб • bос •
kU ,
Как следует из приведенного выражения, при определенном выборе параметров цепи ПОС выходное сопротивление усилителя может стать отрицательным.
Слайд 37ЧАСТОТНО-ФАЗОВЫЕ ИСКАЖЕНИЯ при введении ООС уменьшаются в глубину отрицательной обратной
связи раз:
φ(ω) = – ω /
Fв_ООС = ω / Fв • (1 + bос • kU).
Это выражение показывает, что при введении цепи ООС фазовый сдиг, вносимый усилителем, уменьшается.
При этом безразлично, какой вид ООС используется.
Слайд 38Выводы:
Введение цепи ОС может изменить основные параметры усилительного устройства как
количественно, так и качественно (напри-мер, выходное сопроивление усилителя может превратиться
из положительного в отрица-тельное);
Введение цепей ООС и ПОС, как правило, имеет противоположное воздействие на параметры усилителя;
Слайд 39Способы введения и снятия сигналов ОС могут влиять на характер
воздействия обратной связи на параметры усилителя;
Если в качестве элементов цепи
ОС использовать частотнозависимые четы-рехполюсники, можно получить требуемое воздействие на параметры усилителя только в заданном диапазоне частот входного сигнала.
Слайд 40Устойчивость усилителя
В реальных усилителях, охваченных обратной связью, всегда имеются
реактивные элементы, накапливающие энергию.
Даже в усилителях на резисторах имеются
такие элементы – паразитные емкости схемы и усили-тельных приборов, индуктивности проводов и т.д.
Реактивные элементы создают дополнительные фазовые сдвиги, которые в сумме могут составить 180о.
Поэтому отрицательная обратная связь в таком усилителе превращается в положительную и создаются условия, при которых возможна паразитная генерация.
Слайд 41Применение обратной связи тесно связано с проблемой устойчивости усилителя.
Для
правильного построения усилительного устройства и выбора его параметров большое значение
приобретают методы определения устойчивости усилителя.
В настоящее время известно несколько критериев устойчивости, различающихся больше по форме, нежели по существу (критерий Рауса-Гурвица, теория устойчивости Ляпунова, критерий Найквиста, частотный критерий и др.).
В основе большинства этих критериев лежит критерий устойчивости решений дифференциа-льных уравнений, описывающих усилительное устройство.
Слайд 42Условие устойчивости состояния покоя усилительного устройства заключается в том, что
после прекращения действия входных сигналов или внешних воздействий (изменение питающих
напряжений, изменение температуры и др.) усилительное устройство должно вернуться в исходное состояние.
Для этого необходимо, чтобы возникающие в усилительном устройстве при нарушении состояния покоя свободные (переходные) токи и напряжения были затухающими.
Слайд 43 Следует отметить, что свойство устойчивости относится
к усилительному устройству, содержащему цепь ОС. Это может быть:
внешняя обратная
связь, выполненная путем введения в усилитель специальных цепей,
паразитная обратная связь (емкостная или индуктивная), обусловленная конструктивными особенностями изготовления усилительного устройства,
или внутренняя связь, обусловленная физическими свойствами (туннельные диоды, тиристоры и др.).
Если такая связь отсутствует, то усилительное устройство является разомкнутым и понятие устойчивости к нему не применимо.
Слайд 44Об устойчивости системы с обратной связью можно судить по характеристикам
разомкнутого тракта
Коэффициент передачи разомкнутого тракта равен:
kU_раз_ОС = Uос / Uвх = kU • bос
В общем случае все коэффициенты имеют ком-плексный характер и являются функциями от часто-ты входного сигнала, что учитывает фазовые сдвиги при распространении сигнала по прямой ветви усиления kU и по цепи обратной связи bос.
Слайд 45 Частотный критерий устойчивости для систем
с обратной связью можно разделить на три пункта:
если при изменении
частоты от нуля до бесконечности фазовый сдвиг коэффициента передачи разомкнутой цепи не достигает 2π, то замкнутая цепь устойчива при любом значении kU • bос;
если коэффициент передачи разомкнутой цепи kU • bос меньше единицы при любой частоте, то система с замкнутой цепью обратной связи устойчива при любом фазовом сдвиге;
Слайд 46система с обратной связью неустойчива, если имеются частоты, при которых
одновременно выполняются два условия:
1 –
фазовый сдвиг в разомкнутой цепи обратной связи равен или кратен 2π (т.е. имеется положительная ОС) и
2 – коэффициент передачи разомкнутого тракта больше единицы: kU • bос > 1
Эти два условия являются необходимыми для построения генераторов или триггерных устройств.
Слайд 47КЛАССЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
В зависимости от значения и знака напряжения
смещения и напряжения сигнала в схеме транзисторного каскада возможно несколько
принципиально различных режимов его работы, называемых КЛАССАМИ УСИЛЕНИЯ
Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса А
Максимальная амплитуда выходного сигнала в этом режиме может достигать значения, близкого к Ек / 2
Слайд 48Работа усилителя в классе А характеризуется низким коэффициентом полезного действия
– КПД, который теоретически не может превышать 0,25.
0,2
0,4
Iб, мА
0,4
0,8
Uбэ, В
t
А
t
Iб
Uсм
Iб_пок
Слайд 49Это объясняется постоянным током коллектора Iк вне зависимости от наличия
или отсутствия входного сигнала, в результате чего на транзисторе рассеивается
мощность P = Uкэ • Iк.
КПД усилителя рассчитывается как отношение полезной выходной мощности на нагрузке Рвых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Рпотр : η = Рвых / Рпотр.
В связи с этим режим усиления класса А используется только в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение КПД не играет решающей роли.
Слайд 50Класс усиления В
Режим работы транзисторного каскада, при котором ток
в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода
изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса В.
В этом режиме напряжение смещения Uсм базо-эмиттерного перехода выбирается равным порогу Ферми.
Ток базы покоя и ток коллектора покоя равны нулю.
Поэтому при отсутствии сигнала – Uвх(t) = 0 – мощность, рассеиваемая в каскаде, практически равна нулю.
Слайд 51Это способствует суще-ственному улучшению энергетических показа-телей каскада за счет значительного
(по срав-нению с режимом клас-са А) снижения мощно-сти, рассеиваемой на
транзисторе в режиме покоя
2
4
Iб, мА
0,4
0,8
Uбэ, В
t
В
t
Iб
Uсм
Так как ток базы Iб и ток коллектора Iк протекают через транзистор только половину периода, то режим класса В используется в двухтактных схемах
Слайд 52Транзистор n-p-n VT1 усиливает только положительную полуволну входного напряжения, а
транзистор p-n-p VT2 – отрицательную полуволну
Eк1
+
–
Eк2
+
–
Uсм1
Uвх
Uсм2
Rнагр
VT1
VT2
Слайд 53
t
t
IбVT1
IкVT1, А
UкэVT1, В
6
8
10
8
2
4
t
IбVT2
6
4
2
1
2
IкVT2, А
1
2
UкэVT2, В
Uвых, В
Слайд 54На графиках в области параметров изображены полуволны базового тока отдельно
для каждого транзистора (IбVT1, IбVT2).
Нагрузочная прямая проведена через точку
Uкэ = Eк1 = 10 В при нулевом токе коллекторов обоих транзис-торов. Котангенс угла наклона нагрузочной прямой равен номиналу нагрузочного резистора Rнагр.
Через разнополярные транзисторы VT1 и VT2 токи текут в противоположных направленииях в течение только одного «своего» полупериода входного напряжения.
На сопротивлении нагрузки Rнагр токи складыва-ются и протекают в течение обоих полуволн напряжения.
Слайд 55Выходное напряжение на нагрузке имеет искажения в виде «ступеньки» вблизи
нулевого выходного напряжении.
Эти искажения вызываются нелинейностью входной характеристики транзистора
и, как следствие, искажениями тока базы.
Но и этот уже искаженный ток базы Iб передается на выход с дополнительными искажениями, вызван-ными изменением коэффициента передачи тока базы β при изменении тока коллектора.
При минимальных токах коллектора (т.е. вблизи «ступеньки») параметр β также имеет минимальное значение и постепенно увеличивается с увеличением тока.
Слайд 56Максимальный (теоретический) КПД усилителя, работающего в режиме класса В достигает
0,78.
Но в реальных схемах за счет небольшого падения напряжения
на транзисторах при максимальном токе (это соответствует режиму насыщения) КПД не может быть больше 0,7÷0,75.
Важной отличительной характеристикой классов работы усилительных устройств является угол отсечки Θ, который определяется по формуле:
Θ = 180о • τ / Т,
где: Т – период входного синусоидального сигнала;
τ – та часть времени в пределах периода, в течение которой протекает выходной ток коллектора.
Угол отсечки в режиме класса А : Θ = 180о, а в режиме класса В : Θ = 90о.
Слайд 57Усилители мощности звуковых частот очень редко работают в режиме класса
В в связи со значительными нелинейными искажениями типа «ступенька».
Для
уменьшения этих искажений в двухтактных каскадах используют режим работы класса АВ.
В этом классе угол отсечки: 90о < Θ < 180о.
В режиме класса АВ напряжение смещения Uсм базо-эмиттерного перехода выбирается немного больше порога Ферми, ближе к линейному участку входной характеристики.
Ток базы покоя и ток коллектора покоя отличны от нуля.
Поэтому даже при отсутствии входного сигнала через транзисторы VT1 и VT2 протекает ток и на транзисторах рассеивается тепловая энергия.
Слайд 58КПД усилителя, работающего в режиме класса АВ, обычно составляет 0,5
÷ 0,6. Это меньше, чем КПД усилителя класса В, но
значительно лучше, чем у усилителя, работающего в классе А.
Существенное уменьшение искажений типа «ступенька» в режиме класса АВ сопровождается увеличением потребляемой мощности (т.е. снижением КПД).
Слайд 59Класс усиления С
Режим работы усилителя, при котором ток в
выходной цепи транзистора протекает на временном интервале меньшем половины периода
входного сигнала, называется режимом усиления класса С. Угол отсечки : Θ < 90о .
В режиме класса С транзистор больше половины периода находится в состо-янии отсечки. Напряжение смещения Uсм базо-эмит-терного перехода меньше порога Ферми (может быть даже отрицательным).
Слайд 60Этот режим применяется в мощных резонансных усилителях радиопередающих устройств.
На
вход усилителя подается синусоидальное напряжение, но форма коллекторного тока повторяет
только малую часть синусоиды (меньше половины периода), т.е. в спектре коллекторного тока появляются кратные гармоники.
Наличие колебательного контура в цепи протекания коллекторного тока позволяет выделить гармони-ческий сигнал основной частоты и подавить кратные гармоники выходного тока.
Но, если колебательный контур в цепи коллектора настроен на более высокую частоту, кратную частоте входного сигнала, то этот контур выделит более высокую гармонику. Поэтому кроме усиления входного сигнала по мощности получается также и умножение частоты сигнала на выходе усилителя в несколько раз.
Слайд 61Класс усиления D
Режим усиления, при котором усилительные элементы выходного
каскада могут находиться только в состоянии включено (режим насыщения биполярного
транзистора) или выключено (режим отсечки биполярного транзисто-ра), называется ключевым режимом или режимом усиления класса D.
Режим класса D широко используется в устройствах, основным требованием к которым является получение максимального КПД.
На рис. показан ключевой усилитель, работающий в режиме класса D.
Частота коммутирующих импульсов выбирается в соответствии с условием Котельникова-Найквиста, т.е. эта частота должна быть в два раза больше максимальной частоты в спектре усиливаемого сигнала.
Слайд 62При положительном входном импульсе открыва-ются транзисторы VT1 и VT2, транзисторы
VT3 и VT4 – закрыты.
При отрицательном входном импульсе открываются
VT3 и VT4, а VT1 и VT2 – закрыты.
Фильтр низких частот (ФНЧ), состояший из индуктивности Lф и конденсатора Сф, необходим для сглаживания прямоугольных импульсов коммутации на сопротивлении нагрузки Rнагр.
Слайд 63Усиливаемое переменное напряжение показано на рис. пунктирной линией.
При отсутствии входного
сигнала средний уровень выходного сигнала равен нулю. Напряжение коммутации мощных
выходных транзисторов имеет форму прямоугольных импульсов типа меандр (длительность положительного импульса равна длительности отрицательного импульса).
Слайд 64Осциллограмма тока изображена ломаной линией в виде треугольных импульсов. Поэтому
даже при отсутствии входного сигнала через транзисторы (которые работают в
режиме насыщения) течет ток и рассеивается тепловая мощность.
При синусоидальном усиливаемом сигнале импульсы коммутации изменяются по длительности так, чтобы среднее напряжение за период коммутации соответствовало напряжению усиливаемого сигнала, т.е. длительность импульсов пропорциональна величине напряжения усиливаемого сигнала.
Такой вид модуляции длительности импульсов при постоянной частоте следования импульсов называется: широтно-импульсная модуляции – ШИМ.
Осциллограмма тока в виде ломанной линии сопровождает среднее значение усиливаемого сигнала
Слайд 65Кроме заметной потребляемой мощности в отсутствии входного переменного напряжения эта
схема имеет и еще один существенный недостаток:
в момент коммутации
мощных ключевых транзисторов VT2 и VT4 закрывание транзистора происходит значительно дольше, чем открывание противоположного транзистора.
Поэтому появляется дополнительная динамическая мощность, потребляемая от источника питания и вызывающая дополнительный разогрев транзисто-ров за счет протекания коротких сквозных токов через уже открытый транзистор и противополож-ный транзистор, который еще не успел закрыться.
Поэтому реальный КПД у таких усилителей, работающих в режиме класса DA, не превышает 0,9.
Слайд 66Значительно лучший КПД у ключевых усилителей, работающих в режиме класса
DB.
Основное отличие схемы такого усилителя от схемы, работающей в
режиме класса DA, заключается в том, что транзисторы VT1 и VT2 управляются от отдельного формирователя входных ключевых импульсов Uвх1, а транзисторы VT3 и VT4 – также от отдельного формирователя Uвх2.
Слайд 67При отсутствии усиливаемого сигнала оба мощных ключевых транзистора VT2 и
VT4 закрыты и токи в схеме не протекают.
При положительной полуволне
усиливаемого сиг-нала входными импульсами Uвх1 открывается только ключевой транзистор VT2. Выходной ток транзисто-ра увеличивается (см. ломаную линию на рис.).
При закрывании ключевого транзистора возникает всплеск отрицательного напряжения (за счет напряжения самоиндукции дросселя Lф).
Этот всплеск ограничивается демпфирующим диодом VD2 на уровне, равном –Ек2. Через открытый демпфирующий диод VD2 и индуктивность Lф течет убывающий ток (см. ломаную линию на рис.).
Слайд 68Аналогично, при отрицательной полуволне усиливаемого сигнала входными импульсами Uвх2 открывается
только ключевой транзистор VT4, который работает в паре с демпфирующим
диодом VD1.
В усилителе, работающем в режиме класса DB, отсутствует потребляемая мощность при нулевом усиливаемом сигнале, а также отсутствуют динамические потери мощности при переключении транзисторов, потому что в каждой полуволне усиливаемого сигнала работает только один ключевой транзистор.
КПД в таких усилителях может достигать 0,95.
Слайд 71ЛЕКЦИЯ ОКОНЧЕНА
СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ
