- •Полупроводниковые приборы
- •Полупроводники
- •Электронно-дырочный переход
- •Вентильное свойство идеального p-n перехода
- •Емкость идеального p-n перехода
- •Полупроводниковый диод
- •Вольт-амперная характеристика реального p-n перехода. Пробой
- •Полупроводниковые приборы с одним выпрямляющим переходом
- •Биполярный транзистор
- •Полевые транзисторы
- •Особенности мощных высоковольтных транзисторов
- •Однопереходные транзисторы
- •Тиристоры
- •Усилители
- •Каскадирование как принцип построения электронных устройств
- •Классификация усилителей
- •Основные параметры усилителей
- •Обратные связи в усилителях
- •Усилители на биполярных транзисторах
- •Обеспечение начального режима работы усилителя
- •Усилитель с эмиттерной стабилизацией
- •Математические модели биполярного транзистора
- •Расчет усилителя с эмиттерной стабилизацией по переменному току
- •Усилитель с ок
- •Фазоинверсный каскад
- •Усилители постоянного тока
- •Дифференциальный усилитель
- •Выходные каскады
- •Операционный усилитель
- •Операционный усилитель как идеальный усилитель
- •Передаточная характеристика оу
- •Скорость нарастания оу
- •Упрощенная внутренняя структура оу
- •Основные схемы включения оу
- •Компенсация смещения
- •Ослабление синфазных сигналов
- •Частотная коррекция операционного усилителя
- •Использование оу при однополярном питании
- •Усилители с промежуточным преобразованием
- •Импульсные усилители
- •Общие требования к ключевым каскадам
- •Ключи на биполярных транзисторах
- •Общая характеристика
- •Расчет ключа на биполярном транзисторе
- •Повышение быстродействия ключей на биполярных транзисторах
- •Ключи на полевых транзисторах
- •Общая характеристика
- •Особенности управления мощными полевыми транзисторами
- •Регулирование мощности с использованием ключевых схем
- •Схемы формирования заданного тока и напряжения
- •Источники вторичного электропитания
- •Структура и основные параметры
- •Выпрямители
- •Устройства стабилизации мгновенных значений напряжения
- •Устройства стабилизации среднего значения напряжения
- •Импульсные стабилизаторы напряжения
- •Генераторы сигналов
- •Частотно-зависимые устройства
- •Аналоговые фильтры
- •Синтез корректирующих звеньев
- •Схемная реализация корректирующих звеньев
- •Схемная реализация регулятора
- •Библиографический список
- •Оглавление
-
Выходные каскады
Рассмотренные ранее транзисторные каскады потребляют незначительную мощность и практически совсем не приспособлены для передачи в нагрузку сколько-нибудь существенного тока (мощности). В аналоговой схемотехнике выделяют отдельный класс усилителей, специально предназначенных для передачи в нагрузку мощных сигналов. Такие усилители называют усилителями мощности. Схемотехническое построение усилителей мощности имеет свои особенности, определяемое требованиями, предъявляемыми к этим усилителям:
-
большой выходной ток;
-
большое выходное знакопеременное напряжение;
-
низкий коэффициент нелинейных искажений;
-
малая рассеиваемая мощность в режиме покоя;
-
наличие средств защиты от короткого замыкания по выходу.
Рассмотренные ранее каскады не в полной мере удовлетворяют перечисленным требованиям. Например, в каскаде с ОЭ ток, протекающий через нагрузку, ограничивается резистором в цепи коллектора. Попытка увеличения выходного тока приведет к возрастанию мощности, потребляемой каскадом в режиме покоя, что снизит КПД каскада в целом. Однако в ряде случаев с этими недостатками мирятся.
В настоящее время наибольшее распространение получили двухтактные бестрансформаторные каскады, выполненные на биполярных или полевых транзисторах.
Рассмотрим работу бестрансформаторного двухтактного выходного каскада, собранного на транзисторах различной проводимости (рис. 74).
|
|
Рис. 74 |
л191р1 |
На угловом интервале 0... при положительной полуволне входного напряжения открывается транзистор n-p-n типа, пропуская в нагрузку импульс коллекторного тока . Транзистор находится в режиме отсечки. При этом на нагрузке выделяется положительная полуволна выходного напряжения .
Рис. 75 |
л191р2 |
На интервале ...2, когда на вход каскада поступает отрицательная полуволна входного напряжения, транзисторы меняются ролями — транзистор переходит в режим отсечки, а транзистор открывается. В результате на нагрузке выделяется отрицательная полуволна выходного напряжения. Следовательно, через каждый транзистор протекает только одна полуволна тока, создающего напряжение на нагрузке.
Среднее значение тока, потребляемого транзисторами от источника питания равно: , где — максимальный ток коллектора. Мощность, потребляемая от источника питания, равна , мощность, отдаваемая транзисторами в нагрузку — , где — максимальное напряжение на транзисторе. Определим КПД каскада: — КПД возрастает с увеличением амплитуды выходного напряжения и достигает максимального значения в 78% при .
Очевидно, что транзисторы в схеме, представленной на рис. 74, работают в режиме B (сравните диаграммы на рис. 75 и рис. 56). Основной недостаток усилителей, в которых реализован данный режим — нелинейные искажения выходного сигнала из-за нелинейности начальных участков входных характеристик транзисторов. Объединенная входная характеристика двух транзисторов имеет излом вблизи нуля (рис. 76,а).
|
|
|
а) |
б) |
|
Рис. 76 |
л191р3 |
Эта нелинейность искажает базовые токи транзисторов, вследствие чего искажаются коллекторные токи транзисторов и напряжение на нагрузке. Выходное напряжение будет иметь в этом случае характерное искажение вблизи нуля, называемое «ступенька» (рис. 76,б).
|
|
|
Рис. 77
|
л191р8 |
а) |
б) |
|
Рис. 78 |
л191р5 |
Рассмотрим вариант использования в качестве источников смещающего напряжения диодов (рис. 79). Диоды должны выбираться таким образом, чтобы падение напряжения на них соответствовало падению напряжения на эмиттерных
Рис. 79 |
л191р4 |
Для гарантированного устранения искажения «ступенька» часто используют несколько последовательно включенных диода (обычно два) в базовой цепи каждого транзистора. Несколько диодов требуется также при использовании в выходном каскаде составных транзисторов.
Резисторы и выбираются из условия обеспечения требуемого тока базы. Ток, текущий через эти резисторы, должен быть больше максимального тока базы (тока базы в момент максимальной амплитуды сигнала на выходе) на величину, обеспечивающую смещение диодов в прямом направлении. В этом случае диоды не будут запираться (смещаться в обратную сторону) даже при максимальной амплитуде сигнала. В противном случае возможно появление нелинейных искажений другого типа — так называемого ограничения выходного сигнала, когда одна или обе полуволны выходного сигнала будут иметь плоские участки вместо вершин (рис. 80).
|
|
Рис. 80 |
л191р9 |
Используем в схеме диоды КД521А (по одному для каждого транзистора), максимальный прямой ток которых равен , а нормируемое падение напряжения равно . Примем, что прямой ток, текущий через диод, должен быть равен половине максимально допустимого, т. е. . В этом случае сопротивление резистора будет равно . Аналогично рассчитывается сопротивление резистора . Вместо резисторов и в схеме могут использоваться источники тока.
С целью ограничения максимального тока, протекающего через транзисторы выходного каскада, в их эмиттерные цепи включают ограничивающие резисторы. Сопротивления этих резисторов редко превышают единицы Ом; в этом качестве используют мощные проволочные резисторы. Кроме того, данные резисторы образуют цепи ООС, стабилизирующие работу транзисторов выходного каскада.
На рис. 81 показана одна из возможных схем подачи входного напряжения на рассматриваемый выходной каскад. В качестве источника сигнала выступает усилительный каскад на транзисторе , включенном в схеме с ОЭ. При отсутствии входного сигнала ток коллектора этого транзистора должен совпадать с током, текущим через резистор . Отношение сопротивлений к определяет коэффициент усиления каскада по напряжению. Как отмечалось выше, для каскада с ОЭ значение этого коэффициента не должно превышать 4…5.
Рис. 81 |
Может потребоваться подключить рассмотренный выходной каскад к одному источнику напряжения . Входной сигнал в этом случае должен иметь смещение относительно общего провода на величину , а нагрузка подключается к выходу каскада через разделительный конденсатор (рис. 82). Емкость этого конденсатора выбирается из условий:
,
где , — емкость и сопротивление нагрузки; — минимальная частота входного сигнала. При таком включении постоянное напряжение на нагрузке будет отсутствовать и конденсатор не будет влиять на полезный сигнал.
Рис. 82 |
л191р7 |
Для каскада с однополярным питанием справедливы рассмотренные выше способы уменьшения нелинейных искажений.