8.ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

8.6.Каскад с коррекцией в области больших времен

C R

pнд

CфRф

отсюда

	R	R		C R
=1	+ ф	− ф		ф ф		,
	R	R	C R
	к	к		p нд

CфRк = CpRнд .

Для спада вершины выражение имеет вид

			R		T			2
∆	кор	=	к			и		.
			R			R
				C
			ф		p		нд

Тогда выигрыш по спаду вершины по сравнению с простым реостатным каскадом:

γк = ∆р = Rф 1 .

∆кор Rк ∆р

Отсюда видно, что выигрыш существенно зависит от значения сопротивления фильтра. Значительно увеличить выигрыш можно, используя динамическую нагрузку.

Выводы

1.При анализе и проектировании импульсных усилителей основным методом является временной метод, основанный на изучении переходной характеристики.

2.Различным корням характеристического уравнения N( p) = 0 соот-

ветствует монотонный или колебательный переходный процесс. Наименьшая длительность фронта свойственна колебательному переходному процессу (корни комплексно-сопряженные). Однако в этом случае на переходной характеристике имеется выброс. Наибольшее tуст свойственно случаю дейст-

вительных различных корней. Случай действительных кратных корней (критический режим) занимает промежуточное положение по tуст .

3.В случае многокаскадного усилителя важным параметром является критический выброс, т. е. такой, который не изменяется с ростом числа каскадов. При этом анализ таких усилителей можно проводить на основе интеграла Дюамеля.

4.Добавление к реостатному каскаду элементов коррекции позволяет перейти от монотонного переходного процесса к колебательному и критическому. Это позволяет искать оптимальную переходную характеристику в об-

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-141-

Выводы

ласти трех вариантов значений корней характеристического уравнения. Выигрыш по времени установления при использовании корректированных каскадов при критическом выбросе (колебательная переходная характеристика) составляет примерно 1,7.

5. В области больших времен коррекция спада вершины достигается выбором элементов фильтра в коллекторной цепи Rф, Cф . Оптимальной пе-

реходной характеристикой считается максимально-плоская. Выигрыш в ве-

личине выброса определяется соотношением Rф ; чем больше отношение,

Rк

тем меньше выброс в корректированном каскаде.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-142-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.1.Особенностиоконченныхкаскадов

Одной из особенностей оконечных каскадов является высокий уровень выходного сигнала. Для активной и активно-емкостной нагрузки этот уровень выражается номинальной выходной мощностью. В этом сл учае речь ведут об усилителе мощности. При работе на реактивную нагрузку (чаще всего это емкость) – об усилителе напряжения.

Учет высокого уровня выходного сигнала – одно из требований достижение высокого КПД при заданном уровне нелинейных искажений. При этом коэффициент усиления оконечных каскадов может быть меньше, чем у промежуточных каскадов, и для них важны: выбор режима усилительного элемента, напряжения питания, сопротивлений нагрузки. Как правило, графические методы дают в этом случае большую точность по сравнению с аналитическим, поскольку линейные модели транзисторов перестают работать, а параметры транзисторов зависят от тока. Оконечные каскады могут строится по одно- и двухтактной схемам (содержат четное число усилительных элементов). При этом в зависимости от элемента связи с нагрузкой различают трансформаторные, дроссельные и резистивные каскады.

9.2. Однотактныйтрансформаторныйкаскад

Функциональная схема выходной цепи представлена на рис. 9.1. В этой схеме элементом связи является трансформатор. Поскольку в большинстве случаев нагрузка оконечного каскада не совпадает с оптимальной, то форматор позволяет согласовывать выходное сопротивление усилительного элемента и сопротивления нагрузки. Это осуществляется выбором циента трансформации:

	n =	N2н=		R		.
				R
		N
		1вых. каскада

Учитывая, что сопротивление вичной обмотки постоянному току очень незначительно, можно считать напряжение на коллекторе равным напряжению питания, что приводит к росту КПД каскада.

EЕг R'н

N1N2

VT1

Рис. 9.1. Функциональная

схема трансформаторного каскада

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-143-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.2.Однотактный трансформаторный каскад

Рассмотрим работу да, используя семейство выходных статических характеристик и нагрузочные прямые.

Для сопротивления нагрузки по переменному току можно записать

Iк

Iк max

I0

R =	r1 + r2	+	Rí	,	Iк min
í	n2		n2
							0
									Uкэ

где r1 , r2 –		сопротивления пер-		Uкэ min
вичной и вторичной обмоток со-
						Uкэ max
ответственно.
В каскаде с трансформа-
торным	выходом нагрузочная		Рис. 9.2. Графическое представление
прямая	по	постоянному току
проходит гораздо круче из-за то-			работы усилительного каскада
				в режиме «А»
го, что	сопротивление постоян-

ному току гораздо меньше, чем сопротивление переменному. Из графиков (рис. 9.2) видно, что амплитуда коллекторного тока iкm всегда меньше тока

покоя I0 , а амплитуда Uкm меньше напряжения питания (можно считать U0 Eï ). Отсюда следует, что коэффициенты использования напряжения и тока всегда меньше единицы:

ξu = Uкm <1; ξi = iкm <1.
Eп	I0

Мощность в цепи нагрузки определяется выражением

Pн = 12 Uкm Iкm .

Потребляемая от источника мощность определяется выражением

P E I = const .

0п 0

КПД схемы определяется как отношение Pí / P0 :

		Pн			U		i u
	η=		=	1ξ	ξкm	=		< 0,5,
					E I		2
		P		2
		0п		0

т. е. КПД схемы всегда меньше 50 %.

Точку покоя трансформаторного каскада можно выбрать из соотношений:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-144-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.2.Однотактный трансформаторный каскад

U			Uкдоп		; I			P
	a	=				0	=	к max	.
			1+ξн
								U0

Коэффициент усиления каскада определяется выражением:

K= nβ2 rб'бR+нrб'э .

Взаключение отметим, что из-за особенностей трансформатора верхняя и нижняя граничные частоты жестко связаны между собой, в отличие от реостатного каскада, поэтому, изменяя одну частоту, обязательно изменяют другую. АЧХ трансформаторного каскада хуже, чем резистивного.

9.3.Эмиттерныйповторителькакусилительмощности

Коэффициент усиления по току ЭП больше единицы,Ki = 12 β, поэтому

ЭП является усилителем мощности.

Рассмотрим основные энергетические соотношения данной схемы. Если не считать, что в выходном сигнале отсутствует постоянная составляющая, то максимальная амплитуда Uâû õ определяется выражением:

Uвых max = Eп RнR+н Rэ .

Полезная мощность в нагрузке в этом случае равна:

P	=	1		U 2		E 2	R	.
				вых max =		п	н
н max		2		R		2 (R + R )2
				н		э	н

А максимальное значение мощности в нагрузке получится при выполнении условия:

dPн

= 0 → R = R ,

dRн

н

э

тогда

P

E 2

R

E 2

R

E

2

,

=

п

э

=

п

э

=

п

н max

2 (R + R )2

8 R 2

8 R

э

э

E

2

э

э

P

=

.

п

н max

8 Rэ

В общем случае при гармоническом выходном сигнале мощность в на-

грузке определяется соотношением:

P =

1

U

2

a .

н

2

Rн

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-145-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.3.Эмиттерный повторитель как усилитель мощности

Мощность, рассеиваемая на транзисторе,

Pт = Eп2 − 1 Ua2 − 1 Ua2 .

Rэ 2 Rн 2 Rэ

Мощность максимальна при отсутствии входного сигнала Ua = 0 . На эмиттерном сопротивлении рассеивается мощность:

PR =	E	2		1		U 2
	ï		+	2		a .
ý	Rý					Rý

Суммарная потребляемая мощность от источника питания определяется выражением:

P = P

+ R

+ P =

E

2

1

U

2

1

U

2

E

2

1

U

2

1

1

,

п

+

a

+

a

+

п

−

a

+

Σ

R

н

т

Rэ

2

Rэ

2

Rн

Rэ

2

Rн

э

Rэ

PΣ = 2 Eп2 .

Rэ

Потребляемая мощность от источника питания не зависит от амплитуды входного сигнала.

КПД данной схемы:

η=

P

=

1

U 2

R

.

н

a

э

P

2

R

2

E 2

Σ

н

п

Если использовать выражение для P

=

E

2

, то получим:

п

н max

8 Rэ

η=

E 2

R

=

1

=

6,25%.

п

э

8 R

2 E 2

16

э

п

– это максимально возможный КПД.

Таким образом, для всех схем, работающих в классе «А», характерным является очень низкий КПД, даже в режиме молчания, когда входной сигнал отсутствует.

9.4. Двухтактныеусилительныекаскады

Двухтактный усилительный каскад содержит два усилительных элемента, работающих поочередно со сдвигом во времени на половину периода (рис. 9.3). Основным достоинством двухтактной схемы является возможность использования экономичного режима «B». Если двухтактный каскад реализован на транзисторах одинакового типа проводимости, то его возбуждение осуществляется фазоинверсными каскадами.

Простейший вариант схемы выходного каскада – транзисторный каскад с заземленной средней точкой трансформатора.

Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой (рис. 9.4).

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-146-

β Rнэ

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4.Двухтактные усилительные каскады

Вданном варианте две одинаковые внешние нагрузки подключают к эмиттеру и коллектору:

Rнк = Rк || Rдоп; Rнэ = Rэ || Rдоп .

Тогда для коэффициента усиления коллекторной и эмиттерной цепей можно записать:

	Kк =	β Rнк		.;
		rб'б + rб'э + Rнэ	(β+1)

Kэ = rб'б + rб'э + Rнэ (β+1).

R

Rк

Cр

Rдоп

C

Cр2

Rдоп

R

Рис. 9.3. Условное обозначение

Rэ

Рис. 9.4. Фазоинверсный каскад

двухтактного усилительного

каскада

с раздельной нагрузкой

В рассматриваемой схеме коэффициенты усиления каждого плеча не превышают 1.

Недостатки схемы: низкое усиление, низкий уровень выходного напряжения, большое различие выходных сопротивлений плеч. Для устранения последнего недостатка используют добавочный резистор Räî á .

Достоинства: простота схемы, низкая стоимость, хорошие характеристики на ВЧ из-за обратной связи, малый коэффициент гармоник, хорошая термостабильность, высокое входное сопротивление.

Фазоинвертор с эмиттерной связью (рис. 9.5).

Используются два усилительных элемента: T1 включен с ОЭ, T2 через Cбл включен с ОБ. На T2 сигнал подается с сопротивления связи Rэс. Поскольку T1 включен с ОЭ, то он переворачивает фазу сигнала. Если ввести

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-147-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4.Двухтактные усилительные каскады

	коэффициент асимметрии ν =	Uвх	−1 =	Iвых	−1, то на основе законов Кир х-
		1		1
		Uвх2		Iвых2

гофа можно показать, что для заданного значения ν выбор Rэс должен осуществляться по формуле

Rэс =ν 1S ,

где S – крутизна транзистора.

Режим работы «B». Режим работы класса «B» характеризуется тем, что усилительный элемент работает с отсечкой тока, т. е. ток в выходной цепи протекает только в течение половины периода входного колебания

(рис. 9.6).

iк1

t

Еп

iк2

R

R

R

t

R

Сбл

iн

Т1

Т2

t

Uвх1

Rэс

iпит

R

R

Uвх2

t

Рис. 9.5. Принципиальная электрическая

Рис. 9.6. Диаграммы работы

выходного каскада усилителя

схема фазоинвертора

в режиме «В»

При разложении в ряд получаем следующее выражение для пульсирующего тока коллектора

i = i к max + i к max cosωt + 2 i к max cos2ωt − 2 i к max cos4ωt +...
к	π	2	1 3 π	3 5 π

В данном токе наряду с гармоникой основной частоты содержится постоянная составляющая

I0 = i кπmax

и четные гармоники. В частности уровень второй гармоники составляет 42,5 %, четвертой – 8,5 % от уровня основной гармоники. При отсутствии входного сигнала мощность от источника питания не потребляется I0 = 0.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-148-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4.Двухтактные усилительные каскады

При работе в двухтактной схеме ток второго транзистора изменяется со сдвигом фазы, равным 180°. Диаграммы работы каскада показаны нарис. 9.6.

Для получения сигнала, соответствующего входному сигналу, токи в нагрузке от первого и второго транзистора вычитаются iн = iк1 −iк2 .

В этом случае от источника питания потребляется ток iп = iк1 +iк2 , со-

держащий постоянную составляющую 2 I	=	2	i	.
	0к maxπ

Мощность, потребляемую от источника питания за период, можно найти по формуле

	P = 2 I	E =	2	i E .
			π
	0 к max	0 0 0

Амплитуда сигнала в нагрузке, или амплитуда коллекторного напряжения, может быть определена следующим образом:

Uс = Rн iк max .

Тогда мощность в нагрузке за период

P =	U	a	i		R i2
			к max =		н к max .
н			2		2

Отсюда КПД схемы получается следующим:

η=	Pн	=	Ua iк max			π	=	π	ξ	н	,
	P		2	E i		2		4
	0	к max		0

где ξ = Uн .

E0

iн		iк

t

Uб

Uб0

Рис. 9.7. Искажения сигнала на выходе усилителя вида «центральная отсечка»

Тогда предельное значение η= 78,5%. Реально ξн = 0,9и η= 70%.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-149-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.4.Двухтактные усилительные каскады

Характерной особенностью режима «B» являются искажения типа «центральная отсечка», возникающие из-за нелинейности характеристики

iк (ИТ) (рис. 9.7).

Обычно используется промежуточный режим «AB»

I	= (0,05 −0,2) I .
	0к max

9.5. Двухтактныйтрансформаторныйкаскад

Важнейшей характеристикой усилителя мощности является коэффициент полезного действия (КПД). Достичь высокого КПД возможно в усилителях мощности, построенных на двухтактных трансформаторных каскадах. Принципиальная электрическая схема такого каскада представлена на рис. 9.8. Данная схема обеспечивает экономичный режим усиления знакопеременного сигнала при незначительных потерях энергии от источника питания в режиме покоя.

По определению КПД (η) – это отношение мощности сигнала в нагрузке (Ρн) к мощности, потребляемой от источника питания (Ρип) за определенный промежуток времени (tk = t2 – t1)

							1		t
									∫2 Uн(t)iн(t)dt
	P				t	2	−t
η=		=					1 t			,
	н							1
	Pип					1		t2
								∫Eип(t)iип(t)dt
				t	2		−t
							1 t
								1

где Uн(t), iн(t) – напряжение и ток усиливаемого сигнала соответственно; Eип (t) и Iип (t) – напряжение и ток, потребляемый каскадом от источника питания, соответственно.

					Еп
Rб1
		VT1

Rэ1

Rб2

Rн

Rэ2

VT2

Рис. 9.8. Электрическая принципиальная схема двухтактного трансформаторного каскада

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-150-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.5.Двухтактный трансформаторный каскад

Вобщем случае КПД зависит от формы сигнала, поэтому принято определять предельное значение КПД линейных усилителей мощности в режиме усиления гармонического сигнала.

Тогда, полагая, что Eип = const, получаем

		1	T Uн cosωt iнcos(ωt + ϕ)dt				Uнiн	cosϕ
	T
η=			∫0			=	2		,
				1	T		2Eипiип0
			2Eип		∫0 iип(t)dt
				T

где T – период гармонического сигнала; iип0 – постоянная составляющая тока

источника питания.

При чисто активной нагрузке ϕ = 0 имеем:

η= 4Uнiн0 .

Eипiип

Минимальное значение КПД соответствует величине фазового сдвига между током и напряжением в нагрузке, равном 90° (φ = 90°).

9.6. Бестрансформаторныекаскадыусилителей

Различают:

1)схемы с параллельным возбуждением однофазным напряжением;

2)схемы с последовательным возбуждением однофазным напряжением;

3)схемы с параллельным возбуждением двухфазным напряжением.

Двухтактный каскад на основе эмиттерного повторителя. Схема

каскада ЭП имеет вид, представленный на рис. 9.9.

Следует отметить, что простейшие выходные каскады строятся на базе двухтактных эмиттерных повторителей, работающих в режимах «A», «АВ», «В».

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-151-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.6.Бестрансформаторные каскады усилителей

+Еп

Т1

Rн

R1

Rн

Uвх

R2

Т2

–Еп

Рис. 9.9. Двухтактный

Рис. 9.10. Двухтактный

каскад на эмиттерных

каскад с коррекцией

повторителях

по току

Для обеспечения заданной мощности в нагрузке выходного каскада предварительный усилитель должен обладать очень большим усилением. Вся система охватывается глубокой ООС, что позволяет реализовать режим «В» с малым уровнем нелинейных искажений.

Вернемся к рассматриваемой схеме.

При положительной амплитуде входного сигнала работает верхний транзистор T1 , а T2 закрыт. При отрицательной – Т2 открыт, Т1 закрыт. При

отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты и ток покоя практически равен нулю.

Особенность схемы по сравнению с однотактным ЭП: ток в нагрузке равен току, потребляемому от источника питания, амплитуда выходного напряжения может достигать значения Eï . Этим достигается высокий КПД.

Для данной схемы мощность находим из выражения

Pн = 12 Ia2 Rн.

При заданной нагрузке КПД определяется предельным током и максимальной мощностью рассеивания транзистора.

Т1

Рис. 9.11. Выходной каскад усилителя,

работающий в режиме «АВ»

Схема для режима «АВ» имеет вид (рис. 9.11). Для реализации этого режима необходимо между базой и эмиттером каждого транзистора включить источник Uп =0,6–0,7 В. Резисторы используются

для дополнительной термостабилизации режима, реализуя ОС по току.

Поскольку R1 , R2 включены после-

довательно с нагрузкой, то на них теряется часть мощности, поэтому их величина должна быть гораздо меньше Rн .

Возможные варианты реализации напряжения смещения следующие:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-152-

9.ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.6.Бестрансформаторные каскады усилителей

•Источники тока I1 , I2 необходимы для того, чтобы диоды VD1, VD2

итранзисторы T1, T 2 были открыты.

• Источники должны выбираться из условия I	> i	, чтобы при
максимальных значениях входного сигнала VD1, VD2 ,	1,2б max
	T1, T 2 были откры-

ты. Поскольку R1 , R2 , как правило, не обеспечивают заданной термостабили-

зации, то введение элементов VD1, VD2 – основной путь повышения термостабильности режима.

9.7. КомплементарныйэмиттерныйповторительДарлингтона

Для повышения тока в нагрузке можно использовать схему Дарлингто-

на. Это составной транзистор, который состоит из двух, собранных по следующей схеме (рис. 9.12).

Еп

Т1

Т1'

R1 Rн

Uвх Т2 R2 Т2'

–Еп

Рис. 9.13. Выходной каскад с нагрузкой

в цепи эмиттера, собранный по схеме

Рис. 9.12. Усилительный Дарлингтона

каскад, собранный

по схеме Дарлингтона Для данной схемы можно получить:

β =β1 β2 ;

rвх = 2 (rб'э1 + rб'б1 ) ;

R1 может включаться для повышения скорости переходаT 2 в закрытое состояние.

Схема выходного каскада имеет вид, приведенный на рис. 9.13. Поскольку задать ток покоя в режиме «АВ» сразу четырех элементов

очень трудно, то задают ток покоя только транзисторовT1 и T 2 , при этом мощные выходные транзисторы открываются только при больших выходных токах.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-153-