2020-10-12
263
Обзор схемотехники усилителей напряжения
Рассмотрим основные способы реализации усилителей и режимы их работы.
Режим А. В этом режиме точка покоя транзистора находится примерно в средней части используемой части характеристики усилительного элемента, работающего, как принято говорить, без отсечки тока. Временные диаграммы на рис. ** дают представление о сущности режима А.
Режим А характеризуется сравнительно низким уровнем высших гармоник, однако энергетические показатели оказываются неблагоприятными. В режиме А непрерывно, независимо от уровня сигнала потребляется приблизительно одна и та же мощность от источника питания, а вследствие сравнительно небольшого коэффициента использования тока, например, коллекторного
,
где 
– амплитуда первой гармоники, 
– среднее значение тока, близкое к постоянному значению 
в отсутствие сигнала, КПД получается меньше 50%. Действительно, КПД, представляющий собой отношение полезной (отдаваемой) мощности 
к мощности, потребляемой от источника питания 
, равный
|
|
|
не может быть больше 50%. Это объясняется тем, что и коэффициент использования напряжения (коллекторного)
,
где 
– амплитудное значение первой гармоники коллекторного напряжения,
– постоянное напряжение на коллекторе в отсутствие сигнала.
Недостатком класса А является то, что от источника питания при любых сигналах потребляется почти одинаковая мощность 
, и с уменьшением амплитуды сигнала все большая ее часть тратится бесполезно [бел. ЭЦ].
Режим А широко применяется в однотактных каскадах, для которых он является единственно возможным. В реальных усилителях с режимом работы класса А КПД не превышает 25% [Белов ЭЦ].
Режим В. Это такой режим работы усилительного элемента (транзистора), в котором при синусоидальном входном сигнале 
ток в выходной цепи протекает только в течение половины периода 
(рис. **). Среднее значение тока в выходной цепи в этом случае примерно [Бел. ЭЦ]
,(1)
где – амплитуда импульсов выходного тока. Это равенство является строгим, если на интервале времени 
ток 
, а на интервале 
.
Выходной ток усилителя (рис. **) в целом резко несинусоидален, т.е. содержит кроме основной гармоники большой процент высших гармоник. Поэтому класс В на практике применяется только в так называемых двухтактных каскадах, состоящих из двух усилительных элементов, каждый из которых работает в классе В, но со сдвигом в полпериода 
. В них выходной ток почти синусоидальный, среднее значение тока, потребляемого от источника питания, равно 
, а коэффициент использования тока источника
|
|
|
.
С учетом равенства (1) получаем, что 
, т.е. коэффициент использования тока источника не зависит от амплитуды входного сигнала и существенно больше, чем в классе А. КПД в классе В определяется как
, (2)
где 
. При 
получаем 
, т.е. 78,5%
Таким образом, в классе В КПД существенно больше, чем в классе А, и, согласно (2), не зависит от тока , потребляемого от источника питания. Поскольку согласно (1) среднее значение тока, потребляемого от источника питания, изменяется пропорционально амплитуде входного сигнала, то при малых сигналах, когда мощность на выходе мала, уменьшается и мощность, потребляемая от источника питания.
В режиме малого сигнала и при условии 
коэффициенты усиления по напряжению 
, по току 
и выходное сопротивление каскада 
составляют
, 
, 
где 
– крутизна, характеризующая усиление переменной составляющей тока коллектора при изменении напряжения сигнала в цепи база-эмиттер 
в рабочей точке при постоянном напряжении в цепи коллектор-эмиттер 
;
– температурное напряжение;
B – коэффициент передачи тока базы;
– усиление тока в режиме малого сигнала.
Малосигнальные параметры и сильно зависят от уровня входного сигнала. При низких уровнях 
уменьшается крутизна 
, вследствие чего стремится к нулю коэффициент усиления 
и стремится к бесконечности выходное сопротивление 
. Возникающие при этом нелинейные искажения называются переходными нелинейными искажениями.
Режим АВ. В этом режиме ток в выходной цепи усилительного элемента при синусоидальном входном сигнале протекает в интервале времени, немного превышающем полпериода. По энергетическим показателям он близок к классу В и применяется в двухтактных каскадах для уменьшения нелинейных искажений сигнала.
Режим С. Это режим работы усилительного элемента, когда при синусоидальном входном сигнале ток выходной цепи протекает в интервале, меньшем половины периода 
. Для этого режима в пределе (при 
) характерны 
и 
, где 
– длительность импульса тока 
. Однако вследствие значительной доли всех высших гармоник (2f, 3f, …), этот режим не пригоден для рассматриваемого нами типов усилителей. Он весьма широко используется в однотактных и двухтактных каскадах мощных усилителей радиочастоты, содержащих колебательные системы, эффективно фильтрующие высшие гармоники [Войшвилло].
Режим D. Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Скважность последовательности импульсов должна быть пропорциональной амплитуде полезных сигналов. На рис. **, а приведена структурная схема реализации однотактной односторонней ШИМ-2, содержащая генератор тактовых импульсов ГТ, генератор пилообразного напряжения ГПН, компаратор DA1 и RS-триггер.
Момента начала пилообразного напряжения синхронизированы с моментами генерации тактовых импульсов 
(рис. **, б), которые устанавливают RS-триггер в состояние 1. При этом формируется фронт выходного импульса 
. В момент времени, когда пилообразное напряжение 
становится больше 
, на выходе компаратора формируется положительный перепад напряжения. Этот перепад устанавливает RS-триггер в состояние 0, вследствие чего его выходное напряжение 
скачком снижается до нуля, т.е. формируется спад выходного импульса Усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (можно встретить и другое название этого способа импульсной модуляции, например, ДИМ – длительно-импульсная модуляция) позволяют получить более высокий, чем у усилителей класса В, КПД (рис. **) [Шкритек]. Это связано с тем, что усилительный элемент работает в ключевом режиме [Бел. ЭиМ], поэтому потери мощности в усилительном элементе существенно уменьшаются (в закрытом состоянии потери энергии в нем определяются только током утечки, в открытом состоянии – малым остаточным напряжением на нем). Это преимущество особенно проявляется в малосигнальном режиме (при усилении сигналов низкого уровня), т.к. КПД каскада без учета потерь энергии при переключениях усилительного элемента не зависит от амплитуды полезного сигнала, как это имеет место в классах А, АВ, В. Мощность на выходе усилителя ШИМ в зависимости от коэффициента модуляции 
|
|
|
,
где 
– напряжение на нагрузке 
– сопротивление насыщения транзистора, Ом; 
– сопротивление катушек индуктивности фильтра, Ом; 
– сопротивление нагрузки, Ом.
Режим 
. В этом режиме усилитель – это усилитель мощности, работающий в режиме класса В, в котором напряжение питания управляется в зависимости от напряжения сигнала [Шкритек] (см. рис. **). На рис. ** 
– положительная полуволна напряжения питания, зависящая от уровня сигнала; 
– отрицательная полуволна напряжения питания, зависящая от уровня сигнала; 
– выходное напряжение. Питающее напряжение усилителя класса В формируется усилителем класса А. Оно может быть достаточно низким (порядка 5% от выходного), поскольку при одинаковых коэффициентах усиления каскадов А и В напряжение сигнала равно среднему напряжению питания (рис. *). Каскад А выполняет также функцию фильтра искажений, возникающих в каскаде В. Типичные коэффициенты искажений при частоте сигнала 20 кГц не превышают 0,003% [Шкритек].
Режим G. Сущность его состоит в то, что два каскада усилителя работают при разных напряжениях питания (рис. **). Входной сигнал 
подается на базы транзисторов. Коллектор транзистора VT1 соединен с источником меньшего напряжения U1 через защитный диод VD1. Для сигналов напряжением 
переход база-эмиттер транзистора VT2 имеет обратную полярность, и транзистор заперт. Диод VD3 защищает от пробоя переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT1 открыт, и через него сигнал поступает на нагрузку Rн. При увеличении напряжения входного сигнала 
отпирается второй транзистор VT2. При этом диод VD1 защищает источник питания U1 от броска тока в момент отпирания VT2. Диод VD2 предупреждает возникновение переходных искажений при переключении цепи с VT1 на VT2. Сущность этой защиты заключается в том, что диод VD2 запрещает транзистору VT1 перейти в состояние насыщения раньше, чем откроется транзистор VT2.
|
|
|
При малых уровнях входного сигнала 
активным является только транзистор VT1, поэтому установившиеся мощностные показатели (мощность потерь) соответствуют усилителю, работающему в режиме В или АВ при пониженном напряжении питания U1. Типичное соотношение напряжений питания 
.
