Главная  Расчет источников питания 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [ 15 ] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40]

мость. Численно КПД равен, *

(4-9)

ВИЙ определяется но формуле

где - мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания.

Номинальное входное напряжение (чувствительность). Номинальным входным иаоряжением называется напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Входное напряжение зависит от тнпа источника усиливаемых колебаний. Чем меньше величина входного иапряження, обеспечивающего требуемую выходную мощность, тем выше чувствительность усилителя.

Диапазон уси.шеае.чых частот. Диапазоном усиливаемых частот, или полосой пропускания усилителя, называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, че.\( это допустимо по техническим условиям. Допусти- изменения коэф)нцпента усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначения н услоаи11 работы усилителя. В УНЧ, например, эти изменения обычно йс превышают 3 дБ.

Урочрнь собственных по.чех ycu.tume.iR. Дина.нический диапазон амплитуд- Причины возникновения помех на выходе усилителя различны. Их можно разделить на три основные группы: тепловые шумы, шумы усилительных элементов, помехи из-за пульсаций «.эпряження питания и нааодок со стороны внешних электрических и маг-И1ГГНЫХ полей.

На общий уровень помех усилителя большое влияние имеют пульсации напряжений источников питания, а также наводки со стороны внешних электрических и магнитных полей. Уменьшить эти по.ме>:ц можно, применяя дополнительные сглаживающее фильтры на выходе источников питания и тщательную экранировку наиболее ответственных цепей усилителя (главным образом входных).

Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя называют дннaинчecкиf диапазоном амплитуд. Динамический диапазон обычно выражают в децибелах

[дБ]=-20 1§([Уз,,/[/з,,„). • (4.10)

Уровень самого слабого усиливаемого сигнала ограничивается уровнем помех, самого сильного - искажениями сигнала из-за нелинейности вольт-амперных характеристик транзисторов. Для хорошего качества воспроизводимого сигнала дина-мвческин диапазон амплитуд должен составлять примерно 60 дБ.

Искажения в усилителях. При усилении электрических сигналов могут возникнуть нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебании, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эта колебания проходят. OcHOBHofi причиной появ.тения нелинейных искажений в усчлителе является нелинейность характеристик усилительных элементов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей с сердечниками. В результате нелинейных искажений форма сигнала на выходе* усилителя отличается от формы сигнала на входе; в выходном сигнале появляется ряд дополнительных гармоник, частота которых в два. три, четыре и т. д. раз больше основной частоты. Степень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (ке-эффициентом гармоник).

Коэффициент каждой нз гармоник определяется по формулам:

для второй гармоники -уг = h = UjUi;

АЛЯ третьей гармоники = V/i = VafJi » т. д.

Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелиней11ых искажений (коэффициента гармоник)

Кс==Уу1 + у1+ +у1 = У\Р, + Р,+ +P.,)!f\. (4-11)

Д* Pj + Рз + Рп - сумма электрических мощностей, выделн&мых на нагру.ке гармониками, появившимися в результате нелинейного усиления; Pi - электрическая ммцность первой гармоники.

В случаях, когда сопротивление нагрузки имеет одну и ту же величину для всех гармонических составляющих усиленного сигнала, коэффициент нелинейных нскажс-

K,= \(l+ll+ +M = ]/(i + fl+ ••• (4.12)

гле /ь tg, /g. ffi - действующие (илн амплитудные) значения соответствующих гарионнктоиа иэ выходе; Ui, U, V, [/„-действующие (или амплитудные) вйачениясоответствующих гармоник выходного напряжения.

При определении коэффициента нелинейных искажений обычно достаточно учесть влияние только второй и третьей гармоник, так как амплитуда гармонических состав-jiHifia более высоких частот мала.

Коэффициент нелинейных искажений обычно выражают в процентах. Общая величина нелинейных искажений на выходе усилителя, созданных отдельными его нас-иадамн, определяется по формуле " ,


10 1В0 100В 10000 f,rt

Рнс. 4.3. Примерный вид амплитудно-частотной характеристики УНЧ

, где /Гг2 гп - нелинейные искажения, вносн1ше каждым каскадом усилителя.

Допустимая величина коэффициента нелинейных искажений всецело зависит от назначения усилителя. В усилителях контрольно-изме-ретельной аппаратуры, например, допустимое значение составляет десятые доли процента.

Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффицмента усиления на различных частотах. Причиной частотных искажений является наличие в схеме усилителя реактивных элементов - конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных емкостей усилительных элементов, емкости монтажа и т. д.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно-частотной характеристике, представляющей собой график зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Форма частотной характеристики определяется типом и назначепием усилителя. Типичная частотная характеристика УНЧ приведена на рис. 4.3 (изменение усиления Л/ на разных частогах по отношению к ко-афицненту усиления К. в области средних частот выражается в децибелах, масштаб во оси частот - логари<мйический).

Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотвых искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте Ар К коэффициенту усиления на данной частоте Kj

Обычно наибольшие частогные искажения возникают на границах диапазона частот /„ и /в- Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны

(4.15)

где Кп и А"в - соответственно коэффициенты усиления на HijmnHX и верхних часто-tax Диапазона.

Иэ определения коэффициента частотных искажений следует, что если Л1 > 1, •тк частотная характеристика в области данной частоты имеет завал, а если Л1 < 1 - гто подъем. Идеальной частотной характеристикой УНЧ является горизонтальная прямая (линия АВ).

Кдаффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов

M = MiM.M ... Л1„. (4.16)

Следовательно, частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом таким образом, чтобы общий кдаффициент частотных искажений не превышал заданное значение. Коэффициент частотных иена-



нжиЗ, так же как н коэффициент усиления, удобио выражать в децквелая

В случае многокаскадного усилителя

= 201gA).

(4.17)

(4.18)

Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя. Следует иметь в виду, что частотные искажения в усилителе асегда сопровождаются воявпеннем сдвига фаз между входным и выходным сигналами, т. е. фазовыми искаже-ваши. При этом под фазовыми искажениями понимают лишь сдвиги, создаваемые реактявЕшми элементами усилнтеля, поворот фазы самим усилительным элементом во внимание не принимается.

Рис. 4.4. Схемы включения транзистора:

в - с общей Oajofi; 5 - с общим эмятгером: л - с общим коллектором

4.1.1. Типовые схемы усилительных каскадов на биполярных транзисторах. ,

Характерной особенностью современных транзисторных УНЧ является исклю- * чительнов многообразие схем, по которым они могут быть построены. Однако среди этого многообразия можно выделил наиболее типичные схемы, содержащие элементы и цепи, которые чаще всего встречаются в усилительных устройствах. Ниже прнво-дягсн некоторые типовые схемы каскадов УНЧ на биполярных транзисторах и указаны основные режимы их работы.

Транзистор можно включить в усилительный каскад тремя способами: по схеме с о5дей базой, по схеме с общпм эчнтгерои и по схеме с оэщнм коллектором (рис. 4.4).

Усилительный каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает малым входным сопротивлением (порядка десятков ом) и большим выходным сопротивлением (соткн килоом). Низкое входное сопротивление каскада с общей базой является его существенным недостатком. Между каскадами, собранными по схеме с общей базой, приходится включать специальные согласующие устройства (например, понижающие трансформаторы), что ограничивает применение данной схемы в усилительных устройствах. 1

Основной особенностью схемы с общим эмиттером является то. что входным током в пей выступает малый по величине ток базы. Поэтому входное сопротивление каскада с общим эмиттером выше, чем входное сопротивление каскада с общей базой. Выходное сопротивление в схеме с общим эмиттером также достаточно велико (порядка десятков килоом). Это позволяет в многокаскадном усилителе обойтись бе.ч слецн-альных согласующих устройств между каскадами. Поэтому схема с общим эмиттиром является наиболее распространенной.

Входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико (порядка десятков н сотен килоом), а выходное, наоборот, мало и составляет лишь десятки или сотни ом. Поэтому каскад с общим коллектором не дает усиления сигнала по напряжению и имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления по мощности. Данная схема применяется в основном для согласования сопротивлений между отдельными каскадами усилителя или между выходом усилителя и ниэкоомной нагрузкой. Каскад с общим коллектором целесообразно также использовать на входе усилителя в тех случаях, когда входное сопротивлоняе каскада с общим эмиттером оказывается недостаточным для согласования усилнтеля с источником входного сигнала.

Приведенные на рнс. 4.4 схемы включения транзистора являюкн упрощенными.

В практических схемах транзисторных усилительных каскадов имеется ряд »-роднительных элементов.

Типовая схема одного из наиболее распространенных каскадов предварительного

Гилевин - резистивного каскада с общим эмиттером - приведена на рис. 4.5. этой схеме резисторы R\ vi RI, подключенные к источнику питания составляктг делитель напряжения. Напряжения, снимаемые с резисторов R\ \i RI, используются для питания эмиттерного и коллекторного р - гг-переходов транзнсюра. Цепочка jCj представляет собой развязывающий фильтр, Стабилизация режима работы тран-вистора осуществляется за счет введения в цепь эмиттера резпстооа R\. Падение на-



Рнс. 4,5. Схема резистивного Рис. 4.6, Усилительный каскад на транэи-

каскада с общим эмиттером сторе с общим коллектором:

а - обычная схема; б - схема с составным тра»-энстором

пряжения иа peancroiie, пропорциональное току эмиттера, являе1ся обратным для перехода эмиттер-база. Тем caUllм в схеме устанавливается отрицательная обратяля связь по nwTOHHHOMy току, которая автоматически стабилизирует режим работы каскада при изменении параметров транзистора Для устранения отрицательной обратной связи по перемеппо.му тону, снижающей коэффициент усиления каскада по напряжению, резистор R\ шунтируется конденсатором СЗ достаточно большой емкости. Конденсаторы С1 и С4 разделительные.

В схемах с общим коллектором резистор 3, являющийся фактически сопротивлением нагрузки, конденсаторо.ч не шунтируется (рис. 4.6, а). Поэтому в cxej существует глубокая отрицательная обратная связь по переменному току. Этим н объясняется высокое входное сопротивление каскада н низкий коэффициент усиления снг-. нала по Тзапряжению. , Входное сопротивление каскада, приведенного на рис. 4.6, я, обычно составляет

десятин килоом. Для увеличения входного сопротивления каскада до сотен килоом и выше целесообразно применять схему, приведенную на рис. 4.6, б. В ней в отличие-, от рис. 4-6, а используется составной транзистор н исключен низкоомнын .целитель напряжения в цепи базы. Вместо этого делителя используется цепочка, состоящая из резисторов R\, Rlw R3. Напряжение, снимаемое с резистора 2 через высокосма-ный резистор /?3 (порядка 2-3 МОм) подается на базу транзистора VI.

Применение составного транзистора позволяет получить коэффициент уснлейня каскада по мощности порядка 20-30 дБ, Обычно каскад, собранный по схеме с са/ол «оллсктороч. называют змиттерным повторителем.

Выходной каскад усилнтеля предназначен для отдачи требуемой величины мац-мости сигнала в заданное сопротивление нагрузки.

Величина Максимальной неискаженной мощности и КПД оконечнсголасдада зависят от iHiia транзистора, режима работы и CiCMbi каскада. JTpH нйЭольшои выходной мощности (ОТ милливатт до десятых долей ватта) в каскадах~мощного усиления применяют ге же транзисторы, что и в предварительных каскадах. Для патучения Средней и большой мощности (единицы - десятки вэп) используют специальные мощные транзисторы. Большое значение для нормальной работы выходного каскада транзнстсрного усилнтеля имеет тепловой режим транзистора. Известно, чю при превышении максимально допустимой мощности, рассеиваемой в р - я-переходах, которая Существенно .члвщпт от температуры окружающей среды, происходит Ten.iOEOii iipi>-- Сой транзистора, Прн наличии дополнителшого радиатора тепловой режим ipanaii-




fttc. 4.7. Выходные каскады усилителей на транзисторах:

а - одкотактная; б - двухтактная

спурл заметно улучшается. Выходные каскады усилителей могут быть построены П9 вюютактной или двухтактной схемам, существенно отличающимся друг от друга (рас. 4.7). Двухтактный каскад отдает вдвое больш>1о мощность, чем однотактный, мест трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в несколько раз вольшую пульсацию источника питания. Кроме того, двухтактный каскад характеризуется более высоким КПД. Однако для его работы необходимы два транзистора, выходной трансформатор с удвоенным чис- лом в]1ТК0В первичной обмотки й средней точкой, а также фазо-ff„ инверсная схема предыдущего каскада нлн еще один (входной) трансформатор со средней точкой.

Значительное распространение в современных транзисторных усил[1т€лях- получили бестрансформаторные схемы выходных каскадов, отличающиеся высокой экономичностью, малыми габаритами и массой [28, 40]. Одна из типичных схем таких каскадов показана на рис. 4.8. 4.1.2. Режимы работы усилительных каскадов. Режим работы усилительного (гаскада зависит от расположения рабочей точки на проходной динамической харак-1ернстике транзистора, представляющей собой график зависимости /qk = f (вк DpH Иц = const. На рис, 4.9 приведены графики, иллюстрирующие работу усилительного каскада в режимах класса А. В и АВ. При этом предполагается, что выходным током транзистора является ток коллектора, а входное напряжение для схемы с общим эмиттером представляет собой напряжение между базой и эмиттером.

Для работы каскада в режиме А на базу подается такое напряжение смещения, чтобы рабочая точка Р, определяющая исходное состояние схел1Ы при отсутствии входного сигнала, располагалась прн-меряона середине прямолинейного Kppedi участка характеристики (рнс. 4.9, а). В этом режиме напряжение смеще-вия СБЗр абсолютной величине всегда больше амплитуды входного сягвала [СБЭр! шах- " покоя всегда больше амплитуды переменной составляющей выходного тока (/кр > Ыт)- Поэтому в режиме А при подаче на вход каскада синусоидального напряжения в выходной цепи будет протекать ток. изменяющийся "также по, синусоидальному Закону. Это обусловливает минимальные нелинейные искажения .сигнала. Однако этот режим явлнет- СИ наимейеё экономичным. Д"йб в то11;-что полезной является лишь

мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока, а потребляемая мощность определяется значительно большей величиной постоянной составляющей. Поэтому КПД усилительного каскада в режиме А составляет лишь (20,..30)%. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления или маломощные выходные каскады.

В режиме В (рис. 4.9, б) рабочая точка выбирается так. чтобы ток покоя был ра вен нулю При подаче на вход сигнала ток в выходной цепн каскада протекает лини, в течение половины периода изменения напряжения сигнала. В stm случае выходной


Щ: ток нмеет форму импульсов с углом отсечки в = л/2 {углом отсечки принято называть ; ооловнну той части периода, в течение которой проходит ток). Режим В характеризу- ется высоким КПД усилителя ((60 ... 70) %). так как постоянная составляющая вы-. юдного тока значительно меньше, чем в режиме А. Однако режим В характеризует:» большими нелинейньши искажениями сигнала, и поэтому используется главным об. разом в мощных двухтактных каскадах. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В (рис. 4.9, в),

4.1.3. Технические условия на проект и рованне УНЧ. Расчет усилителя состоит из двух последовательных этапов,

Предварительный (эскизный) I расчет. Задачей предварительного -vuрасчета является; 1. Разработка технического задания, т. е. определение основных показателей, которыми должен обладать проектируемый усилитель. В техническом задании должны быть приведены следующие основные ис-"нодяые данные: напряжение [/ источника входного сигнала; диапа-80Н частот усиливаемого сигнала /и.../в: напряжение Сц и мощность Рдц на выходе усилителя) величина сопротивления нагрузки J?h; величина допустимых частотных искажений на крайних частотах диапазона Мя и Мв. величина допу-

Рис. 4.8, Схема выходного бестрансформаторного каскада УНЧ

сгимых нелинейных искажений Яг) система питания усилителя.

К этим основным исходным данным Могут быть добавлены специальные требования, обусловленные назначением и условиями работы усилителя.

В некоторых случаях в задании на проектирование усилителя указываются все или большинство исходных данных. При этом задача существенно облегчается и необходимо лишь руководствоваться этими Данными в дальнейших расчетах. Однако во многих случаях известными являются лишь некоторые данные, например назначение усилителя, его выходная мощность


Рис. 4.9. Графики, ту усилительного

а -~ класса А; б -

иллюстрирующие рабо-каскада а режимах: :ласса В: а класса АВ

тип источника входного сигнала. В этом Случае остальные исходные данные для расчета должны быть специально разработаны в соответствии с конкретными особенностями усилителя и условиями его эксплуатации.

2. Составление структурной схемы проектируемого усилителя с указанием технических требований к отдельным ее узлам. При этом необходимо ориентировочно подобрать типы транзисторов отдельных каскадов, распределить по каскадам требуемое значение коэффициента усиления, допустимые частотные и нелинейные искажения, в случае необходимости предусмотреть введение отрицательной обратной связи, наметить основные регулировки - усиления, тембра н т. д.

Окончательный расчет. Эта часть проекта является основной. Расчету и окончательному выбору подлежат все элементы схем отдельных каскадов (начиная с послед-

4 2-2232



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [ 15 ] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40]

0.0015