6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Электронные_устройства_в_медицинских_приборах_2010
.pdfПри работе в режиме В, как правило, применяют двухтактные схемы. Достоинством режима является высокий КПД η = 78 % (практически до 75 %). Недостаток – это заметное увеличение нелинейных искажений, для уменьшения которых используют режим АВ. В этом режиме рабочую точку перемещают в область минимально допустимого значения тока коллектора Iкmin, величину которого определяют исходя из допустимых нелинейных искажений. Однако увеличение минимальной величины тока Iкmin приводит к некоторому уменьшению КПД, в результате чего увеличивается рассеиваемая на коллекторах мощность.
Вдвухтактных схемах УМ, работающих в режиме В или АВ, размеры трансформатора меньше (так как он работает без подмагничивания постоянным током), заметно уменьшается амплитуда четных гармоник, искажающих сигнал.
Строятся также двухтактные бестрансформаторные схемы. Их
преимущество в том, что через нагрузку Rн при Uг = 0 ток Iн = 0 и меньше нелинейные искажения.
Воднотактных схемах режим В применяется в резонансных усилителях, где нагрузкой является настроенный контур, способный выделить усиливаемый сигнал.
Режим С. Ток Iвых протекает за время, меньшее половины периода. Усилительный элемент работает с запирающим смещением. Выходной ток содержит постоянную составляющую, четные и нечетные гармоники. И в двухтактной схеме из-за наличия нечетных гармоник форма сигнала не восстанавливается. Поэтому такой режим используют в резонансных усилителях. КПД больше, чем в режиме В.
Режим D. Это ключевой режим, при котором усилительный элемент в течение рабочего цикла находится в двух состояниях: полно-
стью заперт (I = 0, U ≈ Umax) и полностью открыт (I = Imax, U ≈ 0). Поэтому потери мощности оказываются очень малой величины
(мощность в основном рассеивается при переключении усилительного элемента).
Однако для работы в этом режиме необходимо преобразовать амплитуду усиливаемого сигнала в длительность прямоугольного импульса (постоянной частоты), а затем после усиления проводить обратное преобразование. Преобразовательные устройства сравни-
191
тельно сложны, требуют тщательной наладки, поэтому режим D применяется в особых случаях.
В УМ на биполярных транзисторах усилительные элементы могут быть включены любым из трех способов.
Схема с общей базой (ОБ) позволяет получить меньшие нелинейные искажения, чем каскад с общим эмиттером, но обеспечивает почти в β раз меньшее усиление мощности. Включение по схеме с ОБ способствует уменьшению нелинейных искажений как на входе, так и на выходе. На входе потому, что легко получить режим управления входным током, когда форма управляющего транзистором тока совпадает с формой усиливаемого сигнала. Для этого необходимо, чтобы Rг >> Rвх. Но с увеличением Rг уменьшается усиление мощности, так как растут потери на Rг. Схема с ОБ обладает наименьшим Rвх, поэтому при меньших значениях Rг можно обеспечить указанный режим. Уменьшаются и нелинейные искажения в выходной цепи, обусловленные зависимостью α = F(Iэ) (β значительно больше меняется с изменением тока).
Всхеме с ОБ выше и температурная стабильность, а в усилителях мощности обычные способы термостабилизации и уменьшения нелинейных искажений при помощи обратной связи практически не применимы.
Вдвухтактных схемах для уменьшения нелинейных искажений обычно требуется симметрия характеристик транзисторов. В схеме
сОБ это также обеспечивается просто (из-за Rг >> Rвх и αN ≈ 1).
Вкаскаде с ОБ меньшей величины оказываются Iкmin и Uкmin,
так как Iкmin ≈ Iк0 вместо Iк0 (1+β) и меньшее остаточное напряжение. При включении по схеме с ОБ большей величины достигает
Uк.проб.
Основным недостатком каскада с ОБ является большой входной ток и меньшее усиление, что приводит к усложнению предусилителя. Обычно требуется согласование с предоконечным каскадам либо трансформатором, либо буферным каскадом (так как при Rг ≥ Rн схема с ОБ не усиливает мощность).
Схема с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивает наибольшее усиление мощности, но по всем остальным параметрам уступает схеме с ОБ:
192
• большее нелинейное искажение как на входе (Rг ≈ Rвх), так и на выходе из-за заметного изменения β = F(Iк);
•меньшая термостабильность;
•меньшее уменьшение четных гармоник в двухтактных схемах из-за меньшей симметрии;
•большие значения Iкmin и Uкmin, поэтому ηОЭ < ηОБ;
•меньшее значение Uкmax, так как пробивное напряжение
меньше.
Все эти недостатки окупаются упрощением схемы предоконечного каскада.
Схема с общим коллектором (ОК) чаще применяется в бес-
трансформаторных схемах и иногда в случае, когда целесообразно в качестве радиатора использовать шасси (коллектор – корпус можно сажать на шасси). Усиление такое же, что и в схеме с ОБ. Несколько меньше нелинейные искажения, чем в схеме с ОЭ, из-за действия обратной связи; Rвх велико. Большая температурная стабильность и меньшая зависимость от асимметрии транзисторов.
При выборе транзисторов в основном руководствуются их предельно допустимыми параметрами: Рк.доп, Iкmax, Uк.доп. При заданной мощности нагрузки следует выбирать транзисторы с большим значением Uк.доп, так как с увеличением Uкmax растет усиление по мощности. При этом необходимо иметь в виду, что в трансформаторных схемах (независимо от режима) напряжение на коллекторах достигает удвоенной величины максимальной амплитуды выходного сигнала, а последняя очень близка к величине напряжения питания, поэтому рекомендуется Ек ≤ ≤(0,4÷0,5)Uк.доп.
Максимальная величина тока коллектора в трансформаторных схемах определяется либо исходя из допустимой рассеиваемой мощности, либо из допустимого уровня нелинейных искажений (в схемах с ОЭ и ОК – из-за зависимости βN от Iк).
3.8.3.Трансформаторные усилители мощности
Вэтих схемах нагрузка подключается к УМ через трансформатор, параметры которого выбираются так, чтобы при заданной нагрузке наибольшие величины токов и напряжений транзистора гра-
193
ничили с их предельными величинами. При этом усиление мощности, как правило, не равняется максимальной величине.
Применение трансформаторных связей на выходе УМ позволяет обеспечить оптимальные условия для передачи наибольшей мощности в нагрузку, а на входе – преобразовать выходное сопротивление генератора сигнала Rг к нужной величине, обеспечивающей требуемое значение коэффициента нелинейных искажений, которые обусловлены нелинейностью входной цепи транзистора.
Однотактные схемы. Особенностями однотактной схемы выясним на примере каскада с ОБ (рис. 3.35), работающего в режиме А. Смещение задается источником Еэ через резистор Rэр. Параметры входного трансформатора (без которого в схеме с ОБ обычно не удается получить усиление) рассчитывают так, чтобы приведенное
значение выходного сопротивления Rг′ |
= |
Rг |
(где |
пвх = |
W1 |
) в 3–5 |
n2 |
W2 |
|||||
|
|
вх |
|
|
|
|
раз превышало среднее значение входного сопротивления каскада
Rвх ≈ rэ + rб(1−α) = Iϕэ.тр + rβб .
Рис. 3.35. Однотактная схема усилителя мощности на каскаде с ОБ
При меньших значениях Rг′ повышается коэффициент усиления
по мощности, так как улучшается согласование с источником сигнала. Однако возрастают искажения сигнала во входной цепи. Действительно, если Rг = 0 (т.е. задано входное напряжение), то из-за экспоненциальной зависимости тока Iэ от Uэ форма тока Iэ сильно отличается от формы входного напряжения. Поэтому и выходной ток Iк = αNIэ + Iк0 также не совпадает по форме с входным сигналом. При работе от высокоомного источника входной ток Iэ более близок по форме к входному сигналу, поэтому желательно
194
приблизиться к этому режиму, выбрав Rг′ большей величины. Однако с увеличением Rг′ повышаются потери мощности на Rг, по-
этому снижается усиление по мощности. Нелинейные искажения во входной цепи становятся сравнительно малой величины уже при Rг′ ≈ (3÷5)Rвх. Это значение Rг′ и рекомендуется выбирать в прак-
тических схемах.
Как уже отмечалось, параметры выходного трансформатора выбирают так, чтобы при допустимой величине размаха выходного напряжения Uк.доп и заданной величине Rн обеспечить размах тока до допустимого уровня Iк.доп. Иначе говоря, коэффициент транс-
формации выходного трансформатора пвых = W1 надо выбрать так,
W2
чтобы приведенное значение нагрузки Rн′ = nвых2 Rн равнялось
Uк.доп |
, т.е. пвых = |
Uк.доп |
. При этом в трансформаторной схеме, |
||||
|
Iк.доп |
RнIк.доп |
|||||
|
|
|
Uк.доп |
|
|||
выбрав Ек |
≈ |
, можно обеспечить полное использование |
|||||
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
транзистора и по напряжению, так как максимальный рахмах напряжения также будет граничить с предельной величиной Uк.доп. Рабочая точка:
IкА ≈ |
Iк.доп |
, |
UкА ≈ |
Uк.доп |
. |
|
2 |
2 |
|||||
|
|
|
|
Предельная величина КПД (η = 50 %) практически может составлять 45–48 %. Очевидно, что с уменьшением амплитуды сигнала КПД схемы снижается, так как мощность, отбираемая от источника питания, не зависит от сигнала, а мощность, поступающая в нагрузку Рн, зависит. При этом возрастает мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, Рк = Р0 – Рн. Это мощность наименьшей величины при сигнале наибольшей амплитуды
Ркmin = Р0 – Р′нmax ≈ Рнmax
и наибольшей величины при Рн = 0:
Ркmax = Р0 = Рηнmax .
тр
195
Двухтактные схемы. Особенности двухтактной схемы выясним на примере каскадов (рис. 3.36), работающих в режиме АВ, который используется для уменьшения нелинейных искажений сигналов малой амплитуды, так как начальный участок входной характеристики очень пологий. При этом в каскаде, работающем в режиме В, входная характеристика двухтактного усилителя тоже имеет значительные пологие участки. Переход к режиму АВ с небольшим смещением позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения во входной цепи. При этом удобно это смещение задавать падением напряжения на диоде Д.
Рис. 3.36. Двухтактная схема усилителя мощности на каскадах с ОЭ
Такой способ задания смещения способствует повышению температурной стабильности. Задавая посредством резистора R ток диода, можно обеспечить изменение смещения (изменением напряжения на диоде) так, чтобы с повышением температуры оно уменьшалось, а с понижением, наоборот, повышалось.
Входной трансформатор наряду с согласованием источника сигналов с усилителем выполняет функции фазорасщепителя, обеспечивающего поступление сигналов на базы, одинаковых по величине, но противоположных по фазе, т.е.
Uб1 = Uб.см + Uбmsinωt и Uб2 = Uб.см – Uбmsinωt.
При этом в течение одного полупериода проводит один из транзисторов, а другого – второй транзистор. Переменные составляющие коллекторных токов протекают через соответствующие плечи первичной обмотки выходного трансформатора Трвых в противоположных направлениях. В нагрузке токи обоих каскадов складыва-
196
ются. Рабочая точка В (рис. 3.37) выбирается при IкВ = Iкmin и |
|||||||||||||||||||||||
UкВ E |
Uк.доп |
(так |
|
как |
ЭДС, |
|
|
индуцируемая на коллекторе, |
|||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
равна 2Uкmmax 2Ек). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Коэффициент трансформации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
п |
= |
Rн′ |
|
|
|
Uк.доп |
= |
|
W1 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
вых |
|
|
R |
|
|
2I |
к |
R |
|
2W |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
н |
|
|
.доп2 |
||
Мощность, отдаваемая в на- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
грузку, |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рн = ηтрРн′ |
|
|
IкmUкm . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
= ηтр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
При этом |
среднее |
значение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
тока (за период) составляет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Iк.ср = Iкmin |
+ |
Iкm |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Предельная величина КПД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
η |
max |
π |
0,78 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Практически |
|
можно |
получить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
КПД не более 75 %. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Максимальная |
|
|
|
мощность, |
|
|
|
|
Рис. 3.37. Коллекторная ВАХ |
||||||||||||||
рассеиваемая на коллекторе од- |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
ного транзистора, составляет |
|
|
|
|
каскада с ОЭ, работающего |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
в режиме АВ |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2Рнmax |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ркmax = |
0,2P |
. |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π2 |
|
|
|
|
нmax |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.8.4. Бестрансформаторные усилители мощности
Наличие трансформаторов позволяет заметно повысить КПД усилителя и облегчает согласование источника сигнала с УМ, благодаря чему повышается коэффициент усиления мощности и уменьшаются искажения на входе. Однако трансформатор является причиной ухудшения ряда характеристик: увеличиваются вес и га-
197
бариты аппаратуры, возрастают линейные искажения в области как нижних, так и верхних частот, вносятся нелинейные искажения, снижается степень надежности. Поэтому часто приходится отказываться от применения трансформаторов, а в интегральных микросхемах применение трансформаторов вообще недопустимо.
Вбестрансформаторных схемах нагрузка непосредственно включается на выход УМ. Поэтому исключается возможность пол-
ного использования транзистора. Обычно при Rн > Rн.опт, чтобы повысить усиление мощности стремятся выбирать напряжение источника питания так, чтобы полнее использовать размах по напряжению. При этом размах по току может оказаться меньше предель- но-допустимой величины. Если же нагрузка низкоомная, то рабочую точку выбирают так, чтобы по возможности увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.
Вбестрансформаторных схемах обычно применяются двухтактные схемы, так как в однотактных схемах нельзя использовать режим В. В режиме А постоянная составляющая тока протекает через нагрузку, перегружая ее. В двухтактных схемах применяют режим
Вили АВ. Для этого часто используются взаимодополняющие друг друга транзисторы п-р-п и р-п-р, т.е. комплементарные пары транзисторов.
На рис. 3.38,а представлена двухтактная схема УМ, построен-
ная на комплементарной паре транзисторов Тп и Тр. Транзисторы работают в режиме АВ. При положительной полуволне входного напряжения, инвертированной предусилителем на транзисторе Т, сигнал передается на выход через повторитель напряжения на р-п-
р-транзисторе Тр. Отрицательная полуволна входного сигнала поступает в нагрузку Rн через повторитель напряжения на п-р-п- транзисторе Тп.
Если невозможно подобрать мощные однотипные транзисторы, то одно плечо УМ строят на составном транзисторе, как это показано на рис. 3.38,б. Эта схема построена на мощных п-р-п- транзисторах Т1 и Т2, первый из которых работает в режиме повторителя напряжения, а второй, дополненный маломощным транзистором Т3, образует составной транзистор, через который в нагрузку поступает отрицательная полуволна выходного напряжения.
198
а |
б |
Рис. 3.38. Схемы бестрансформаторных усилителей мощности:
а– на комплементарной паре транзисторов; б – на п-р-п транзисторах
3.8.5.Искажения сигналов в усилителях мощности
Как линейные, так и нелинейные искажения в усилителях мощности принято определять при усилении сигналов синусоидальной формы. Линейные искажения высших частот обусловлены инерционностью транзисторов, характеризуемой постоянной времени коэффициента передачи тока базы τβ и емкостью коллекторного перехода Ск. Определенное влияние оказывают паразитные емкости, которые особенно заметны в интегральных микросхемах из-за действия емкостей изолирующих р-п-переходов.
В трансформаторных УМ линейные искажения в области высших частот вызываются также действием индуктивностей рассеяния и паразитных межвитковых емкостей обмоток трансформаторов. В области низших частот линейные искажения обусловлены действием индуктивности первичной обмотки L1 или вторичной обмотки L2, характеризуемым постоянной времени трансформатора:
входного
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
τ |
тр.вх |
= L |
|
|
+ |
|
|
= L |
|
|
+ |
|
|
; |
|
′ |
′ |
|
|||||||||||
|
1вх |
Rг |
|
|
2 вх |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Rвх.ср |
|
|
Rг |
|
Rвх.ср |
|
199
выходного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
+ |
|
|
+ |
|
, |
|||||
|
|
′ |
|
||||||||
τтр.вых = L1вых |
RвыхУМ |
′ |
= L2 вых |
|
|
||||||
|
|
Rн |
|
RвыхУМ |
|
Rн |
|
где Rг – внутреннее сопротивление источника сигнала; Rвх.ср – среднее значение входного сопротивления УМ; RвыхУМ – выходное сопротивление УМ (величины, отмеченные штрихом, – это приведенные значения Rвх.ср, Rг, Rн, RвыхУМ к соответствующей обмотке).
В трансформаторном УМ нижняя граничная частота определя-
ется приближенным соотношением |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
f |
н |
= |
|
|
|
|
+ |
|
|
. |
|
τ |
|
τ |
|
||||||
|
|
2π |
тр.вх |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тр.вых |
На величину искажений в области низших частот влияют разделительный конденсатор Ср, обычно включаемый между бестрансформаторным УМ и нагрузкой Rн. Эти искажения характеризуются постоянной времени разделительного конденсатора
τр = (Rн + RвыхУМ)Ср.
При этом нижняя граничная частота определяется формулой fн = 2πτ1 p .
Одним из основных источников нелинейных искажений в каскадах на транзисторах является нелинейность входной ВАХ, причем при работе в режиме В kнл возрастает не только при росте амплитуды усиливаемого сигнала Uгm, но из-за наличия «зоны нечувствительности» – и при уменьшении Uгm по сравнению с некоторым «умеренным» уровнем. Для уменьшения влияния «зоны нечувствительности» переходят к режиму АВ, приоткрывая транзисторы в точке покоя, что ведет к увеличению Iк.р, Iб.р и Uбэ.п (см. схему УМ на рис. 3.36 с диодом в цепи смещения).
Дополнительным источником нелинейных искажений в двухтактных каскадах является неидентичность (асимметрия) характеристик передачи. При правильном выборе материала сердечника нелинейность, вносимая трансформаторами, обычно мала.
200