Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_LINEAR_LABS_METODA_KAF41_5217

41

4.2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена в виде макета, схема которого приведена на рис. 4.3. Гнезда X1 – X8 предназначены для подключения приборов к входу и выходу исследуемого УМ: генератора гармонических сигналов, двух вольтметров и осциллографа. Включение и выключение электропитания осуществляется тумблером, размещенным в нижнем левом углу лицевой панели макета. Режимы работы исследуемой микросхемы K174УН4Б можно изменять при помощи переключателей П1 – П4.

Рис. 4.3. Схема лабораторного макета.

Переключением П1 можно изменять величину емкости разделительного конденсатора во входной цепи усилителя CР1, и она может принимать значения С1=1500 пФ, С2=10 нФ, С3=1 мкФ.

Переключателем П2 можно изменять коэффициент отрицательной обратной связи в усилителе мощности К174УН4Б, который зависит от сопротивления делителя R14 − RОС в цепи отрицательной обратной связи (роль RОС играет резистор RЗ или R4, СОС конденсатор С5). Положению П2=1 соответствует меньший коэффициент передачи обратной связи (подключен R3=1.3 кОм), положению П2=2 больший коэффициент передачи (подключен R4=2.7 кОм).

Переключением П3 можно изменять характер нагрузки. Параметры нагрузок: R6=5 Ом, R7=6 Ом, R8=8 Ом, R9=8 Ом, С7=0,1 мкФ, С8=1 мкФ.

Переключателем П4 осуществляется подключение нагрузки к выходу усилителя по одной из двух стандартных схем: когда П4=1, то нагрузка

42

включается между выходом усилителя и шиной питания, а когда П4=2 схема, в которой нагрузка включена между выходом и общим проводом.

При обработке результатов измерений необходимо учитывать, сигнал,

подаваемый с генератора сигналов на вход макета, попадает на микросхему через резистивный делитель R1-R2, уменьшающий величину входного напряжения

в10 раз, что сделано с целью защиты микросхемы от электрических перегрузок.

4.3.Порядок выполнения работы

1.Согласовать с преподавателем программу исследований.

2.Подключить генератор сигналов к клеммам X1-X2; первый вольтметр

переменного тока к клеммам X3-X4; второй вольтметр переменного тока к клеммам X5-X6 и осциллограф к X7, X8. После этого включить питание макета и приборов. Переключатель П1 установить в положение 3 (входной сигнал подается на микросхему через разделительный конденсатор C3=1 мкФ), переключатель П3 в положение 2 (при этом выбрана нагрузка RН =R7= 6 Ом).

3. Исследовать амплитудные характеристики усилителя на частоте 1 кГц в следующих конфигурациях схемы:

а) П2 в положении 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П4 в положении 1; б) П2 в положении 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П4 в положении 2; в) П2 в положении 1 (RОС =R3 =1.3 кОм), П4 в положении 2.

Сравнение результатов п.п. ” а” и ” б” позволит оценить влияние способа подключения нагрузки на амплитудную характеристику усилителя, а сравнение результатов п.п. ” б” и ” в” позволит оценить влияние на неё глубины ОС.

В каждой из трех указанных конфигураций следует, изменяя уровень входного напряжения UВХ, измерять значения UВЫХ. Результаты заносить в протокол в табл. П4.1. При появлении нелинейных искажений (когда форма сигнала на экране осциллографа заметно отличается от гармонической функции) следует сделать пометки возле соответствующих значений UВЫХ. Нужно иметь в виду, что когда микросхема К174УН4Б испытывает значительные электрические перегрузки, её выходное напряжение может стать нестабильным по амплитуде. Это связано с особенностями построения электрической схемы микросхемы: при возникновении нелинейных искажений типа “ одностороннее ограничение”, сигнал, проходящий по цепи обратной связи, подстраивает рабочую точку каскада на транзисторе VT5 таким образом, чтобы симметрировать режимы работы плеч выходного каскада. Подстройка продолжается до тех пор, пока искажения или устранятся вовсе или станут симметричными. Процесс подстройки при появлении искажений хорошо виден на осциллограмме. Если перегрузка значительная, то этот процесс может затянуться, и в течение значительного времени выходное напряжение будет изменяться; тогда измерения производить не нужно.

4. Снять амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) усилителя при различных конфигурациях схемы, изменяя положения переключателей П2 − П4:

а) П2 = 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П3 = 2 (RН =R7= 6 Ом), П4 = 1; б) П2 = 1 (RОС =R3 =1.3 кОм), П3 = 2 (RН =R7= 6 Ом), П4 = 1;

в) П2 = 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П3 = 3 (нагрузкой усилителя будут параллельно соединенные R8=8 Ом и С7=0.1 мкФ); П4 = 1;

43

г) П2 = 2 (RОС =R4 =2.7 кОм), П3 = 4 (нагрузкой усилителя будут параллельно соединенные R9=8 Ом и С8=1 мкФ), П4 = 1;

д) П2 = 1 (RОС =R3 =1.3 кОм), П3 = 4 (нагрузкой усилителя будут параллельно соединенные R9=8 Ом и С8=1 мкФ), П4 = 1.

Сравнение результатов п.п. ” а” и ” б”, а также п.п. ” г” и ” д” позволит оценить влияние глубины обратной связи на АЧХ усилителя; сравнение результатов п.п. ” а”, ” в” и ” г”, а также п.п. ” б” и ” д” позволит оценить влияние на неё вида нагрузки.

Для каждой из пяти конфигураций схемы, установив такой уровень напряжения UВХ на генераторе, при котором ни в одной из схем, исследованных в п. 3, не было зарегистрировано нелинейных искажений сигнала на выходе, следует изменять частоту сигнала во всем диапазоне используемого генератора сигналов, и регистрировать значения UВЫХ. Результаты заносить в протокол в таблицу П4.2. При задании каждого значения частоты следует проверять, не изменилось ли входное напряжение, и если изменилось, нужно подстраивать его к исходно заданному уровню, отмеченному в протоколе.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

4.4. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1.Формулировку цели работы и принципиальную электрическую схему исследуемого усилителя, собранного на основе микросхемы К174УН4Б (рис. 4.3).

2.Таблицы с результатами экспериментальных исследований и расчетов. Таблицу П4.2 для каждой из исследованных конфигураций схемы следует дополнить рассчитанными значениями коэффициента усиления, выраженного в

децибелах KU dB=20 Lg(10 UВЫХ/UВХ) при каждом значении частоты (здесь

множитель учитывает влияние ослабления входного сигнала делителем

напряжения R1 − R2).

3. Графики полученных зависимостей:

- семейство амплитудных характеристик усилителя мощности, построенных при разных конфигурациях схемы (по данным табл. П4.1) на одном графике, при построении по обеим осям следует использовать логарифмический масштаб;

- семейство амплитудно-частотных характеристик усилителя KU dB(f) по данным таблицы П4.2 на одном графике (всего окажется 5 графиков при различных значениях параметров схемы), по оси частот необходимо использовать логарифмический масштаб.

4. Выводы по работе (в письменной форме), отражающие наблюдаемые различия характеристик при различных конфигурациях схемы:

-как изменяется амплитудная характеристика при изменении глубины отрицательной обратной связи;

-как изменяется амплитудная характеристика при изменении способа подключения нагрузки к выходу усилителя мощности;

44

-какой характер имеет АЧХ исследованного усилителя;

-как влияет на АЧХ изменение глубины обратной связи;

-как влияет на АЧХ изменение характера нагрузки.

В заключение желательно провести обзор современных микросхем УМ и сравнить их характеристики с характеристиками микросхемы К174УН4Б.

К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный преподавателем.

4.5. Контрольные вопросы

1.Почему в схемах усилителей мощности используется отрицательная обратная связь, несмотря на то, что она уменьшает коэффициент усиления?

2.Какие схемотехнические решения используются в выходных каскадах интегральных усилителей мощности?

3.Какое влияние оказывает отрицательная обратная связь на амплитудночастотную характеристику усилителя и почему?

4.Как влияет характер нагрузки на характеристики усилителя? Объясните причины отмеченного влияния.

5.Поясните основные принципы построения интегральных усилителей мощности по принципиальной схеме, приведенной на рис. 4.1.

6.Для чего во входной цепи исследуемой микросхемы установлен разделительный конденсатор?

7.Проанализируйте, как может повлиять изменение значения емкости разделительного конденсатора на характеристики схемы.

8.Что такое схема Дарлингтона, почему она обеспечивает большое усиление каскада?

9.Анализируя внутреннюю структуру микросхемы, докажите, что обратная связь через R14 внутри микросхемы является отрицательной.

10.Покажите цепи подачи смещения на базу входного транзистора (VT3) в составе микросхемы K174УН4Б.

11.Проанализируйте, как повлияет на АЧХ изменение емкости конденсатора CP1 на типовой схеме включения микросхемы (рис. 4.2).

12.Проанализируйте, как повлияет на АЧХ изменение емкости конденсатора CБЛ на типовой схеме включения микросхемы (рис. 4.2).

13.Какие схемотехнические приёмы используются для стабилизации режимов транзисторных каскадов в бестрансформаторных УМ?

Библиографический список.
1. Схемотехника	аналоговых	электронных	устройств:	Учебник.

/В.Н. Павлов и др. М.: Горячая Линия Телеком, 2001. 320 с.

2.Микросхемы для бытовой аппаратуры: Справочник / И.В. Новаченко, В.М. Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский. М.: КУБК-а, 1996. С. 105 - 106.

3. Микросхемы УМЗЧ для переносных компьютеров и игрушек

//Компоненты и технологии. 2005, №1. С. 42 - 47.

4.Электросхемы.ру. Словари, схемы, справочники, даташиты.

//URL: http://www.electroscheme.ru/index.html.

45

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 (макет №5)

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ С ТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВЫХОДОМ

Цель работы: изучение свойств транзисторных усилителей мощности с трансформаторным выходом, работающих в режимах классов А, АВ и В и их сравнительный анализ.

5.1. Методические указания по подготовке к работе

К усилителям мощности (УМ) обычно относят усилительные устройства с мощностью выходного сигнала более 0.5 Вт. Свойства и характеристики усилителя во многом определяются способом выполнения цепей связи оконечного каскада усилителя мощности с нагрузкой. По этому признаку различают бестрансформаторные УМ (см. лабораторную работу №4) и УМ с трансформаторным выходом. Несмотря на неоспоримые достоинства бестрансформаторных усилителей, как-то: малые габариты и масса, более широкая полоса рабочих частот, и т. д., существуют ситуации, в которых использование УМ с трансформаторной связью оказывается предпочтительным, а то и единственно возможным вариантом. В частности, на основе мощного каскада УМ с трансформаторным выходом часто строятся преобразователи питания (т. н. инверторы), позволяющие вырабатывать переменное напряжение из постоянного, с гальванической развязкой между первичным и вторичным источником; других решений этой задачи просто не существует. Кроме того, трансформаторные каскады получили распространение при построении мощных усилителей высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов.

Основное назначение трансформатора в усилителе мощности состоит в согласовании выходного сопротивления оконечного каскада УМ с нагрузкой (как известно, максимальная мощность в нагрузке выделяется при равенстве выходного сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки).

В мощных выходных каскадах УМ могут использоваться различные схемы включения транзисторов в зависимости от необходимых качеств усилительного устройства. Транзисторные каскады с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивают максимальное усиление по мощности по сравнению с другими (общая база, общий коллектор); каскад УМ при включении транзисторов с общим коллектором обеспечивает наименьшее выходное сопротивление, и т. д.

На рис. 5.1,а изображена схема однотактного выходного каскада УМ на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, который работает в режиме класса А или АВ. Резистивный делитель R1 – R2 задаёт потенциал базы транзистора относительно общего провода (т. н. напряжение смещения). Токостабилизирующий резистор RЭ обеспечивает отрицательную обратную связь по току в пределах каскада, за счет чего повышается стабильность его режима по постоянному току при действии дестабилизирующих факторов (как-то: изменение температуры окружающей среды, напряжения питания и т. п.). Чтобы уменьшить влияние отрицательной обратной связи для сигналов рабочего диапазона частот (отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления каскада),

46

параллельно резистору RЭ включен конденсатор СЭ. При правильно выбранном номинале СЭ модуль его сопротивления для переменной составляющей тока коллектора транзистора оказывается много меньшим по сравнению с RЭ, соответственно, общее сопротивление в цепи эмиттера для сигналов рабочего диапазона частот оказывается малым, и отрицательная обратная связь почти не действует.

а)

б)

Рис. 5.1. Схема однотактного выходного каскада (а) и его линия нагрузки (б).

Режим работы транзисторного каскада по постоянному току определяется выбором напряжения источника питания EК, параметров цепей смещения на базу (R1 и R2) и сопротивлением постоянному току R= в коллекторной и эмиттерной цепи транзистора. Последнее определяется суммарным сопротивлением первичной обмотки трансформатора rI и сопротивлением резистора RЭ:

R= = rI + RЭ.

Чтобы определить положение рабочей точки транзистора при отсутствии сигнала на входе, необходимо построить нагрузочную прямую для этого значения R= по двум точкам: первая находится на оси абсцисс (точка с координатами

{UКЭ=ЕК, IК=0}), а вторая на оси ординат (точка {UКЭ=0, IК=ЕК/R=}) Это т. н. статическая линия нагрузки. Начальная рабочая точка "PTA" будет находиться на

этой прямой в месте, определяемом выбором напряжения смещения на базе транзистора: в точке пересечения выходной характеристики, соответствующей заданному значению базового тока покоя и построенной нагрузочной прямой. Координаты рабочей точки на плоскости графика означают, что при отсутствии входного сигнала через транзистор будет протекать коллекторный ток величиной IКА, а на его коллекторе будет напряжение UКА. При малых значениях R= (а его значение обычно действительно мало, исчисляется единицами ом) нагрузочная прямая будет проходить практически вертикально (линия 1 на рис. 5.1,б) и напряжение UКА будет близким к EК при любом токе базы транзистора.

47

Динамическая линия нагрузки трансформаторного усилительного каскада проходит через выбранную рабочую точку "PTA", и точку, находящуюся на оси ординат с координатами {IK=ЕК/RН', UКЭ=0}. Координаты этой второй точки, определяются т. н. приведенным к коллекторной цепи сопротивлением нагрузки RН', которое формально определено как отношение амплитудных значений напряжения на коллекторе транзистора и его коллекторного тока: RН'=Um/Im. Если проанализировать свойства трансформатора, то можно показать, что

RН'= RН/n2,

где n коэффициент трансформации выходного согласующего трансформатора, а RH реальное сопротивление нагрузки, подключенной к УМ.

Коэффициент трансформации выходного трансформатора выбирается таким образом, чтобы обеспечить равенство выходного сопротивления транзисторного каскада приведенному сопротивлению нагрузки: Ri=RН'. Выходное сопротивление Ri каскадов, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером, исчисляется обычно сотнями ом, поэтому для получения максимальной мощности в низкоомной нагрузке (как правило, сопротивления нагрузок УМ исчисляются единицами-десятками ом) приходится использовать понижающий трансформатор. Неизбежное уменьшение выходного напряжения при этом компенсируется значительным увеличением тока через сопротивление нагрузки RН, и мощность, выделяемая в нагрузке, оказывается максимальной.

Из вышеизложенного ясно, что RН'>>RН; кроме того, на практике выполняется и RН'>>R=, этим объясняются взаимные соотношения между расположением статической (линия 1) и динамической линии нагрузки (линия 2) на рис. 5.1, б. При подаче входного сигнала изменяется ток базы транзистора, а за ним и значения тока коллектора транзистора IK и напряжения UКЭ; при этом всё возможное для данного каскада множество пар значений {IK, UКЭ} задаёт динамическая линия нагрузки, независимо от вида входного сигнала.

При выборе типа транзистора для выходного каскада УМ актуальным показателем выступает мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора (т. н. мощность потерь PK) и амплитудные значения тока коллектора и напряжения на коллекторе. Допустимое значение мощности PK на плоскости графика ограничено областью, где UКЭIК<РК.МАХ (РК.МАХ предельно допустимая рассеиваемая мощность транзистора, разная у разных транзисторов). Граница области допустимого сочетания UКЭ и IК на выходных характеристик транзистора имеет вид гиперболы. Динамическая линия нагрузки не должна пересекать эту границу. Также, при любом входном сигнале амплитудные значения UКЭ и IК также не должны превышать предельно допустимых для используемого в УМ транзистора значений, в противном случае он может выйти из строя. Известно, что при оптимальном согласовании выходного сопротивления каскада с нагрузкой (т. е. при RН'=Ri) угол наклона динамической линии нагрузки таков, что точка пересечения ею оси абсцисс имеет координаты {IK=0, UКЭ=2EK}; иными словами, амплитудное значение напряжения на коллекторе транзистора при больших входных сигналах может достигать 2EK. При нарушении режима согласования,

48

когда RН'>>Ri, угол наклона динамической линии нагрузки станет ещё меньше и напряжение UКЭ в принципе может превысить EK во много раз. Поэтому отключение нагрузки RН от вторичной обмотки трансформатора может вызвать опасные выбросы напряжения в коллекторной цепи, и это обязательно учитывается при выборе транзистора для УМ с трансформаторным выходом.

При подаче на вход УМ некоторого сигнала базовый ток транзистора изменяется в соответствии с поданным сигналом, и рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки от положения рабочей точки покоя. Предельные положения рабочей точки обозначены на рисунке как "N" (находится на нижней ветви семейства выходных характеристик транзистора) и “M” ( находится на линии критического режима, когда транзистор находится на границе насыщения). Условие максимального использование транзистора в УМ состоит в том, чтобы задать исходную рабочую точку покоя "PTА" посередине между точками N и M.

Максимальная отдаваемая мощность однотактного трансформаторного УМ, работающего в режиме класса А, определяется выражением

РВЫХ = 0.5 ImUm.

Мощность, потребляемая усилителем мощности от источника питания, вычисляется по формуле

P0 = EК IКА

В итоге, максимально возможное значение коэффициента полезного действия (КПД) однотактного УМ, работающего в режиме класса А, при больших уровнях сигнала (или, как иногда говорят, “ при полном возбуждении каскада”, когда рабочая точка доходит до предельных положений N и М), всегда оказывается меньше 50 %:

ηА = РВЫХ / P0 = 0.5 UmIm/EKIKА < 0.5.

Апри малых уровнях входного сигнала КПД оказывается намного меньше.

Сфизической точки зрения причина низкого КПД кроется в нерациональном расходовании энергии источника питания даже тогда, когда входного сигнала нет.

Дополнительным фактором, уменьшающим значение мощности в нагрузке и КПД усилителя мощности, выступает КПД выходного трансформатора.

Энергетически более выгодными оказываются УМ, работающие в режиме класса АВ, когда рабочая точка выбирается на линии динамической нагрузки ближе к точке N, чем к M, следовательно, ток покоя (при отсутствии входного сигнала) при прочих равных условиях будет меньше, чем в классе А. И ещё более экономичным оказывается каскад УМ, в котором транзистор работает в режиме класса В, когда ток покоя почти равен нулю (рабочая точка при отсутствии сигнала в этом режиме выбирается в точке N).

Однако, однотактный усилитель, работая в режимах AB и В, при полном возбуждении каскада отсекает часть полуволны гармонического сигнала, внося

49

тем самым в сигнал недопустимые нелинейные искажения. Этот недостаток устраняется в двухтактной схеме выходного каскада усилителя мощности.

Вдвухтактной схеме УМ используются два транзистора, которые работают

впротивофазе: когда ток одного из них увеличивается, ток другого уменьшается. Это достигается за счёт противофазного управления базовыми токами транзисторов посредством дифференциального трансформатора: напряжения на его крайних выводах всегда имеют противоположные полярности относительно средней точки. Работа транзисторов в противофазе гарантирует отсутствие отсечки полуволн входного напряжения: даже если один из транзисторов в какойто момент времени окажется закрытым, другой обязательно будет открыт, а при смене полярности входного напряжения они поменяются ролями. И, например, при настройке УМ в класс В, на положительную полуволну входного напряжения будет реагировать один транзистор, а другой окажется запертым; на отрицательную же полуволну будет реагировать другой, а первый при этом закроется. Выходные токи транзисторов протекают по двум половинам дифференциальной обмотки выходного трансформатора, за счёт чего происходит вычитание магнитных потоков, образующихся в сердечнике трансформатора. При этом из двух полуволн одной и той же полярности, образованных коллекторными токами транзисторов (оба транзистора работают от одного и того же источника питания)

внагрузке образуется разностный сигнал, в котором полуволны имеют разную полярность, как и у входного сигнала переменного тока.

Предельно упрощенная схема двухтактного выходного каскада усилителя мощности с трансформаторным выходом, работающего в режиме класса В, показана на рис. 5.2,а. Особенность схемы в том, что в ней нет цепей подачи смещения в базы транзисторов, так что при отсутствии сигнала на входе усилителя коллекторные токи транзисторов почти равны нулю, что и является главным условием работы транзисторов в классе В.

а)

б)

Рис. 5.2. Схема двухтактного выходного каскада (а) и его линия нагрузки (б).

Динамическая характеристика для одного плеча рассматриваемого приведена на рис. 5.2,б. Она проходит через рабочую точку "PTB", которая выбирается на нижней ветви семейства выходных характеристик транзистора и

50

имеет наклон, определяемый приведенным сопротивлением RН', отнесенным к половине первичной обмотки трансформатора Т2.

В соответствии с рис. 5.2,б приведенное сопротивление нагрузки на один транзистор равно

RН' = (EК – U К MIN)/(Im – I K MIN) ≈ EK/Im.

Мощность выходного сигнала переменного тока, отдаваемая одним транзистором в нагрузку, определяется формулой

РВЫХ = ImEК/4.

Мощность постоянного тока, потребляемая от источника питания одним транзистором, вычисляется по формуле Р0 = IК ср. EК, где IК ср. среднее значение

тока

коллектора

транзистора за

один

период

T

выходного сигнала:

1 T

(t )dt.

I K (t) = I m

2π

IKcp. =

IK

Легко показать,

что в

классе В

при

sin

t

T ∫

T

0

получается

Р0 = ImEК/π,

Соответственно, КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса В, при полном возбуждении каскада составит

ηВ = РВЫХ/Р0 = π/4 0.78.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе каждого транзистора схемы, рассчитывается по формуле:

PК = Р0 – РВЫХ = ImEК (1/π − 1/4).

При максимальной амплитуде тока Im мощность рассеивания достигает

максимального значения и рассчитывается по формуле P	=	1		EK2	.
		π2
K max				R′H

Исключительно важным достоинством каскада, работающего в режиме класса В, является то, что при отсутствии входного сигнала УМ практически не потребляет энергии от источника питания (т. к. ток покоя транзисторов в рабочей точке почти равен нулю). Кроме того, при работе усилителя рассеиваемая на транзисторах мощность существенно меньше, чем в классе А, конечно, при прочих равных условиях.

Серьезным недостатком работы транзисторов УМ в режиме класса В является сравнительно высокий коэффициент нелинейных искажений, особенно заметных при малых амплитудах сигнала (известные как искажения типа "ступенька", показанные на рис. 5.3). Их появление связано с тем, что при малых