Файл: Лабник по схемотехнике.doc

Лабораторная работа № 3 бестрансформаторные усилители мощности

Цель работы – изучение существа работы усилителей мощности класса А и класса В. Определение их основных энергетических показателей, сравнение с теоретическими расчетами.

Оконечный каскад усилителя, как правило, является усилителем мощности (УМ), т.е. каскадом, где транзистор работает при значительных амплитудах напряжения и тока. С развитием интегральной схемотехники все больше распространение получают бестрансформаторные УМ. При мощности в нагрузке, не превышающей 10 – 20 мВт, в качестве УМ часто используют эмиттерный повторитель, работающий в классе А. При работе на внешнюю нагрузку коэффициент полезного действия (КПД) такого каскада не превышает 8,6 %. Для УМ малой мощности малая величина КПД окупается простотой схемы. При значительной мощности в нагрузке применяют двухтактные схемы, работающие в классах В или АВ.

Усилитель мощности класса в

Один из возможных вариантов бестрансформаторного УМ класса В представлен на рис. 3.1, а. Каскад состоит из двух усилителей на транзисторах VT1 и VT2 разного типа проводимости, работающих на общую нагрузку R_Н. По своим усилительным свойствам транзисторы VT1 и VT2 идентичны. Напряжения источников питания равны между собой, E₁= E₂ = Е. Режим класса В соответствует условию, когда начальное смещение отсутствует – ток коллектора равен нулю. Таким образом, каждый транзистор работает в активной области характеристик только в течение половины периода сигнала. Формы токов баз, коллекторов и нагрузки по отношению к е_Г представлены на рис. 3.1, б, а на рис. 3.1, в дан характер перемещения рабочих точек по семейству выходных характеристик транзисторов во время работы усилителя.

Из рис. 3.1, б следует, что при синусоидальном сигнале ток каждого плеча существенно отличается от синусоидальной формы, а ток нагрузки вновь близок к синусоидальному

I_Н = I_К1 – I_К2 = I_Кm sin wt. (3.1)

В

P_Н = I_{Н m}U_{Н m}/2 = U_{Н m}²/2R_Н, (3.2)

Р_ИСТ =2Е I_К1 = 2EI_{К m} / p, (3.3)

В таком случае КПД составит h = = pU_{Н m} / 4E. Как видно, КПД усилителя класса “В” линейно растет с ростом амплитуды сигнала и достигает максимума, равного p/4, т.е. 78%, при мак-симальной малоискаженной амплитуде сигнала U_Нm=Е. Реально наличие напряжения насыщения транзистора (U_КЭН) не позволяет развивать предельную амплитуду в нагрузке (рис. 3.1, б). Это снижение максимально достижимого КПД каскада учитывается фактором x =(E– U_КЭН)/E. Обычно U_КЭН = 1В, и при E = 5–10 В фактор x = 0,8 – 0,9

Из анализа рис. 3.2, где представлены зависимости Р_ИСТ, P_Н, Р_Кå =Р_ИСТ – – P_Н в функции амплитуды сигнала, следует, что максимальная мощность выделяется на коллекторах транзисторов при амплитуде сигнала U_Нm= = (2/p)E составляет P_Н = 2E²/p²R_Н. Сопоставление максимальной мощности, выделяющейся на коллекторах, и максимальной мощности в нагрузке позволяет выявить условие выбора транзистора по мощности

Р_{Кå max} / Р_{Н max} = 4/p²x² .

Откуда, принимая x = 0,8, p² = 10 и Р_{К max} < Р_{К доп}, получаем

P_{К доп} ³ P_{Н max} / 3.

Если усиливается сигнал, медленно изменяющийся во времени (f < 5 – – 10 Гц), то необходимо выбирать транзистор из условия, что рабочая точка не выходит за линию допустимой мощности, рассеиваемой транзистором (Р_{К доп} = U_КЭ I_К = const). В таком случае линия динамической нагрузки в предельном случае может лишь касаться гиперболы Р_{К доп}. Расчеты такого случая показывают, что Р_{К доп} ³ Р_{Н max}/2x².

Другими ограничениями на выбор транзисторов являются ограничения по напряжению U_{КЭ дoп} >2E и по току I_{К доп} > I_{К m} = Е /R_Н.

Усилитель мощности класса а

На рис. 3.3, а показан УМ класса А. Для режима класса А характерно задание величины тока покоя транзисторов, превышающего максимально возможную амплитуду переменного тока (рис. 3.3, б). Необходимое смещение при этом обеспечивается с помощью резисторного или диодно-резисторного делителя в цепи базы. Если сигнал генератора синусоидален, то в первом приближении будут синусоидальными и изменения токов транзисторов VT1 и VT2 (рис. 3.3, а). Разнополярный характер транзисторов приводит к тому, что одному и тому же сигналу генератора будет, например, соответствовать увеличение тока коллектора одного транзистора и уменьшение другого. Можно записать I_Кl = I_Кl⁰ + I_{К m} sin wt, I_К2 = I_К2⁰ – I_{К m} sin wt, (3.4)

I_Н= I_К1 – I_К2 = I_К1⁰ – I_К2⁰ + 2I_{К m} sin wt. (3.5)

Если транзисторы подобраны так, что их токи покоя равны, т.е. I_К1⁰ = I_К2⁰, то через нагрузку не протекает постоянная составляющая

I_Н = 2I_{К m} sin wt = I_{Н m} sin wt. (3.6)

Из рассмотрения рис. 3.3, в следует, что для усилителя класса А должны выполняться условия I_К⁰ ³ I_{К m}, или, что эквивалентно I_К⁰ ³ I_{Н m}/2, где I_{Н m} — максимальный амплитудный ток нагрузки.

Рассмотрим мощностные соотношения. Для усилителя класса А в первом риближении постоянная составляющая тока коллектора не зависит

от амплитуды переменного сигнала. В таком случае мощность, потреб-ляемая от источников питания

Р_ИСТ = 2 I_К⁰ E, (3.7)

также не будет зависеть от амплитуды сигнала, в то время как мощность в нагрузке возрастает квадратично

P_Н = U_{Н m}² /2R_Н. (3.8)

И

При выборе рабочей точки так, чтобы I_К⁰ = I_{К m} максимальный КПД для мало-искаженного сигнала достигается при амплитуде сигнала U_{Н m} = E (пренебрегаем U_КЭН) и составляет 50 %. В реальном каскаде необходимо учитывать U_КЭН, а также тот факт, что ток покоя выбирается несколько больше амплитуды сигнала. С учетом этих факторов получаем

h = (Е– U_КЭН) I_{К m} /2E I_К⁰ = x I_{К m} / 2I_К⁰.

Таким образом, реально КПД каскада класса А не превышает 35–40 %. Обычно принимают Р_Кå > 3 P_Нmax, а мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора, P_К = 3/2×P_Нmax < P_Кдоп Другими ограничениями являются ограничения по напряжению и току: U_{К доп} >2E, I_{К доп} > 2I_К⁰.