Лабораторная работа № 4

Двухтактный усилитель мощности

1. Двухтактные усилители мощности

В качестве усилителей мощности используются как трансформаторные, так и бестрансформаторные схемы усилителей.

Современные усилители небольшой мощности (до нескольких десятков Вт) выполняют по бестрансформаторным схемам, что позволяет уменьшить габариты, массу, стоимость и расширить полосу пропускания. Так как усилители мощности являются, основными потребителями энергии источника питания они работают в режиме В или АВ, обеспечивая высокий КПД, т.е. в режиме сильных нелинейных искажений – усиливается только половина входной синусоиды. Для уменьшения нелинейных искажений применяют двухтактную схему – на нагрузке происходит сложение двух полусинусоид. Такие схемы выполняют на комплементарных транзисторах, что упрощает схему (рис.1). Причем для нормального усиления входного синусоидального сигнала вольтамперные характеристики транзисторов разной проводимости должны быть одинаковыми.

Предварительный отбор транзисторов обычно проводится по статическому коэффициенту передачи тока b и по обратному току коллектора I_кбо, которые должны быть одинаковыми или хотя бы близки по значению. В противном случае положительная и отрицательная части синусоиды на выходе будут разными.

Рис. 1. Усилитель мощности в режиме АВ (двухтактная схема).

Суть работы УМ заключается в том, что при положительной полуволне синусоиды открывается транзистор VT1, а транзистор VT2 закрыт. Заряд конденсатора происходит через открытый транзистор VT1. Причем он заряжается до напряжения источника питания. Во время отрицательной полусинусоиды открывается транзистор VT2 и через него протекает ток от заряженного конденсатора, т.е. конденсатор выполняет роль источника питания. Можно видеть, что ток через сопротивление нагрузки меняет свой знак, т.е. через него течет переменный ток.

Для увеличения выходной мощности устройства возрастают трудности в выборе комплементарных транзисторов, поэтому включаются на его выходе более мощные транзисторы одинаковой проводимости (рис.2).

Рис.2. Усилитель мощности с транзисторами одинаковой проводимости на выходе.

Приведенные схемы являются типовыми используемыми в современной аппаратуре.

В дальнейшем будем рассматривать схему на рис.1. Рассмотрим вольтамперную характеристику нижнего на схеме транзистора VT2. Из рис.3 видно, что режимы в рабочих точках В и АВ характеризуются отсечкой коллекторного тока. Цифрой 1 обозначен импульс коллекторного тока в режиме В. Для режима АВ угол отсечки > . Если в режиме А нелинейные искажения возрастают с увеличением амплитуды усиливаемого сигнала, то в режиме В нелинейные искажения могут появляться и при малых уровнях сигнала за счет нелинейности начального участка ВАХ. При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений, полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзисторов n-p-n и р-n-р структуры.

Таким образом, режим АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков ВАХ. Ток покоя транзистора должен составлять (0,2–0,3) от его максимального значения. Рабочая точка на нагрузочной прямой в режиме АВ выбирается выше, чем в режиме В. При этом схема на рис.1 представляет собой соединение двух эмиттерных повторителей, работающих на общую нагрузку . Режим по постоянному току обеспечивается делителем R₁R₂. Сопротивление диода создает необходимое напряжение по постоянному току между базами транзисторов VT1 и VT2, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации.

Схема на рис.2 - соединение двух двухтактных каскадов. Транзисторы одинаковой проводимости VT3 и VT4 образуют выходной каскад, а транзисторы VT1 и VT2 – фазоинверсный. Резисторы R₁ и R₂ и диод VD служат для создания режима работы по постоянному току. Резисторы R_э1 , R_э2 рассматривают как резисторы нагрузки транзисторов VT1 и VT2._. Верхнее плечо схемы представляет собой составной эмиттерный повторитель, охваченный глубокой ООС через резистор .

Рис.3. Выбор рабочей точки транзистора.

Нижнее плечо схемы состоит из двух каскадов с общим эмиттером, охваченных общей цепью ООС, также через резистор . Несмотря на неидентичность схемных построений плеч усилителя, их асимметрия не сказывается на нелинейных искажениях сигнала из-за наличия глубокой ООС.

Получение мощных выходных колебаний при высоком КПД исключает возможность использования малосигнальных параметров транзисторов в процессе проектирования, поэтому все основные расчеты ведут по статическим характеристикам транзисторов на средних частотах.

2. Расчет двухтактного усилителя мощности.

Исходными данными являются мощность, отдаваемая к нагрузке Р_вых и сопротивление нагрузки . Расчет производится графо-аналитическим методом для одного плеча усилителя. Транзисторы выбираются по допустимой мощности рассеяния на коллекторе Р_кmax и максимальной амплитуде коллекторного тока I_кmax:

, . (1)

Из транзисторов, удовлетворяющих условие (1), необходимо выбрать комплементарную пару с близкими по значению параметрами и идентичными характеристиками.

Находят значения на каждом транзисторе:

. (2)

По точкам а, в (рис.4), соответствующим (2) и проводят нагрузочную прямую.

Рис.4. Построение нагрузочной прямой для одного плеча УМ.

Принимая точку а за рабочую точку и считая ее как начало координат строят треугольник мощности со сторонами и .

По этим амплитудным значениям оценивают возможность получения заданной мощности:

Р=u_mH×i_kmax/2.

Используя входные и выходные характеристики транзистора строят сквозную характеристику транзистора (рис.5), включенного в одно из плеч схемы, без учета действия ОС.

Рис. 5. Сквозная характеристика транзистора.

По сквозной характеристике можно определить коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике К_г3 без учета действия ООС:

. (3)

Глубина обратной связи , где I_mн/U_mбэ- усредненная крутизна характеристики транзистора. С учетом ООС коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике:

. (4)

Нелинейные искажения по второй гармонике компенсируются в двухтактных схемах при полной идентичности плеч. В реальных условиях плечи всегда несколько асимметричны. Если токи транзисторов в плечах отличаются в (1+х) раз, где х - коэффициент асимметрии, то коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике равен:

. (5)

С учетом ООС . Полный коэффициент нелинейных искажений усилителя:

. (6)

Сопротивление резисторов R ₁ и R ₂ принимают одинаковыми:

, (7)

где - напряжение база-эмиттер покоя,

I_д– ток, определяемый ВАХ диода из условия обеспечения заданного напряжения смещения . При этом необходимо, чтобы

. (8)

Сопротивление диода выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем составило 2U_бэп при полной идентичности плеч. Если сопротивление одного диода недостаточно, включают два и более диодов.

Входное сопротивление усилителя:

, (9)

где g₁₁ - усредненная входная проводимость транзистора, определяемая по входной характеристике: g₁₁=I_mб/U_mбэ, - сопротивление делителя переменному току.

Амплитуда напряжения входного сигнала:

, (10)

где .

Амплитуда входного тока

Емкость разделительного конденсатора при заданной частоте f и коэффициента нелинейных искажений М:

(11)

Задание к работе:

1. По заданным характеристикам комплементарных транзисторов и сопротивлению нагрузки R_н рассчитать усилитель мощности.

2. Собрать схему на макетной плате, измерить режимы и определить коэффициент усиления по напряжению и по мощности.

3. Сравнить результаты эксперимента с расчетными.

Контрольные вопросы:

1. Какой усилитель называется "усилителем режима В"?

2. Что является достоинством и недостатком усилителя режима В?

3. Привести принципиальную схему двухтактного бестрансформаторного УМ и объяснить принцип его работы.

4. Привести вольтамперные характеристики разнополярных транзисторов для объяснения получения синусоидального сигнала путем сложения усиленных колебаний полуволн.

5. Как в УМ устраняется искажение типа «ступенька»?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: