Заключение

Применение усилителей СВЧ способствует снижению коэффициента шума приемника и тем самым увеличивает его реальную чувствительность. В качестве усилителей СВЧ широко применяются усилители на ЛБВ и на ТД. Указанные усилители достаточно сложные устройства и они находят применение, в основном, в сложной теле-, радио- профессиональной аппаратуре спутниковых систем связи, радиоастрономии, навигации.

Лекция №21 усилители мощности звуковой частоты

Выходным каскадом супергетеродинного приемника является, как правило, усилитель звуковой частоты (УЗЧ). Нагрузкой УЗЧ является оконечное средство связи (ОСС) – громкоговоритель, акустические системы, головные телефоны, то есть элементы с не ярко выраженными резонансными свойствами. Главная задача УЗЧ – это обеспечение заданной мощности сигнала на выходе (от величины требуемой мощности зависит количество каскадов и принцип построения усилителя).

Вопрос №1 Многокаскадные усилители. Назначение, классификация и основные характеристики предварительных и оконечных каскадов усиления

Определение. Усилитель звуковой частоты (УЗЧ) – электронный усилитель сигналов звуковой частоты, предназначенный для усиления сигналов в полосе частот, воспринимаемых человеком на слух (приблизительно от 20 Гц до 20 кГц).

УЗЧ являются составной частью любого радиовещательного и профессионального приемника, а также широко применяются как самостоятельные устройства в командно-трансляционных установках и другой аппаратуре.

Нагрузкой УЗЧ является резистор или трансформатор, которые не имеют ярко выраженных резонансных свойств и поэтому УЗЧ считаются апериодическими усилителями. Следует отметить, что в зависимости от вида усиливаемых сигналов к апериодическим усилителям, кроме УЗЧ, относятся также видеоусилители и УПТ.

Классификация УЗЧ:

1. По назначению:

– усилители напряжения,

– усилители мощности.

2) По виду нагрузки:

– резисторные,

– трансформаторные,

– дроссельные (в приемниках практически не применяются).

3) По характеру усиливаемых сигналов:

– усилители непрерывных сигналов,

– усилители импульсных сигналов (в радиоприемниках РЛС).

Как правило, УЗЧ является многокаскадным усилителем. Структурная схема УЗЧ имеет вид, представленный на рисунке 21.1.

U_ВХ U_ВЫХ

1 2 n к ОСС

Предварительные Оконечные

каскады каскады

Рис.21.1. Структурная схема УЗЧ

Предварительные каскады предназначены для усиления амплитуды входного сигнала до величины, необходимой для нормальной работы усилителя мощности (предварительные каскады являются усилителями напряжения). Оконечные каскады (усилители мощности) предназначены для обеспечения на выходе УЗЧ необходимой мощности сигнала при допустимых частотных и нелинейных искажениях.

Основные характеристики УЗЧ:

1. Коэффициент усиления характеризует усилительные свойства УЗЧ. Может быть по напряжению и по мощности

Кu = U_ВЫХ / U_ВХ ; Кр = Р_ВЫХ / Р_ВХ.

2. Выходная мощность УЗЧ

Р_ВЫХ = U_ВЫХ² / 2R_Н,

где R_Н – сопротивление полезной нагрузки.

УЗЧ характеризуется номинальной выходной мощностью Р_НОМ –наибольшим значением мощности, отдаваемой в нагрузку, при которой искажения сигнала не превышают заданной величины (Р_НОМ радиоприемников обычно не более 2–3 Вт).

3. Коэффициент полезного действия позволяет оценить экономичность УЗЧ

 = (Р_ВЫХ / Р_ПОТР) 100%,

где Р_ВЫХ – полезная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

Р_ПОТР – суммарная мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

4. Искажения усиливаемых сигналов определяют качество усиления сигнала. Различаются линейные (частотные, фазовые и переходные) и нелинейные искажения.

Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя (емкости, индуктивности), а нелинейные искажения возникают в результате нелинейности характеристик усилительных элементов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов. Для оценки нелинейных искажений используются АЧХ и ФЧХ, а количественная оценка нелинейных искажений производится с помощью коэффициента гармоник (подробно описано в лекции №2 по разделу №1 дисциплины «Основы схемотехники»).

5. Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя) – полоса частот, на границах которой коэффициент усиления напряжения (тока) усилителя уменьшается по отношению к наибольшей величине в установленное число раз.

Нижняя граничная частота (f_Н) – минимальная частота полосы пропускания усилителя. Верхняя граничная частота (f_Н) – максимальная частота полосы пропускания усилителя. Так, например, в усилителях, используемых в телефонии, диапазон частот от f_Н=300Гц до f_В=3400Гц (стандартный телефонный канал).

6. Динамический диапазон усилителя – отношение максимальной амплитуды входного сигнала усилителя, при которой искажения сигнала достигают предельно допустимого значения, к минимальному сигналу.

В УЗЧ современных радиоприемниках в последнее время все чаще применяются микросхемы. Использование их позволяет не только уменьшить размеры, массу и потребляемую мощность, но также повысить надежность работы приемника и улучшить его параметры. Основная сложность широкого применения микросхем в УЗЧ состоит в невозможности реализовать в интегральном исполнении трансформаторы и радиаторы охлаждения транзисторов оконечных каскадов. Поэтому на микросхемах выполняются, как правило, предварительные каскады УЗЧ.

Выводы по 1-му вопросу:

1. УЗЧ является усилителем, нагрузка которого не обладает ярко выраженными свойствами, то есть УЗЧ – это апериодический усилитель (резистивно-емкостной).

2. УЗЧ в профессиональной аппаратуре, как правило, многокаскадный усилитель, у которого предварительные усилители являются усилителями напряжения, оконечные – усилителями мощности.

ВОПРОС №2

Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Усилители мощности (УМ) предназначены для обеспечения на выходе УЗЧ необходимой мощности сигнала при допустимых частотных и нелинейных искажениях. В оконечных каскадах применяются как однотактные, так и двухтактные УМ. Нагрузка оконечного каскада может быть подключена с помощью трансформаторной связи (трансформаторный УМ) или бестрансформаторной связи (бестрансформаторный УМ).

Двухтактная схема (по сравнению с однотактной) обеспечивает удвоенную выходную мощность и меньшую величину нелинейных искажений за счет полной или частичной компенсации четных гармоник.

В трансформаторных каскадах УМ в основном применяется схема, в которой усилительный элемент включен по схеме с общим эмиттером, катодом, истоком. Такая схема дает наибольшее усиление по мощности, однако коэффициент нелинейных искажений также большой.

В бестрансформаторных каскадах УМ также применяется включение усилительного элемента по схеме с общим катодом и общим эмиттером. Схема имеет малое выходное сопротивление, что дает возможность включить нагрузку непосредственно в выходную цепь транзисторов (без выходного трансформатора).

Для получения на выходе УМ заданной мощности сигнала необходимо правильно выбирать соответствующие типы усилительного элемента. Так, при выборе транзисторов учитывается их граничная частота (для обеспечения равномерного усиления заданной рабочей полосы частот) и допустимая мощность рассеяния на коллекторе.

Для стабилизации режима транзисторных УМ наиболее часто применяется схема эмиттерной стабилизации, а также температурной компенсации с помощью терморезистора или полупроводникового диода.

Усилительные элементы в УМ могут работать в режимах усиления классов А, В или АВ (особенности работы этих классов расскрыты в лекции №6 по разделу №6 дисциплины «Основы схемотехники»).

Режим усиления класса А применяется:

– в предварительных каскадах (в основном);

– в усилителях небольшой мощности, когда требуется обеспечить минимальные искажения (в усилителях с большой выходной мощностью применение экономически нецелесообразно).

Режим усиления класса В целесообразно применять в двухтактных УМ (одно плечо работает при положительном полупериоде, а другое – при отрицательном, в результате чего усиливаются две полуволны сигнала.

Режим АВ широко применяется в двухтактных УМ.

Двухтактные трансформаторные УМ применяются в основном для получения большой выходной мощности полезного сигнала при высоком КПД. Выходная мощность такого усилителя определяется типом усилительного элемента и режимом его работы.

Усилительный элемент, в основном, включается по схеме с общим эмитером (общим катодом, общим затвором). В таких схемах за счет лучшего использования транзисторов возможно получение большой величины мощности. При этом получаются меньшие искажения, но и меньшая величина усиления. Схема с общим коллектором в двухтактных УМ не применяется, сравнительно редко применяется схема с общей базой.

Схема двухтактного трансформаторного УМ представляет собой совокупность двух одинаковых однотактных каскадов, соединенных между собой (рис.21.2). Они имеют общий источник питания и работают на общую нагрузку.

С_Ф

U_ВХ R_Н

Рис.21. 2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Каждый однотактный каскад образует плечо. Оба плеча двухтактной схемы электрически симметричны. Для обеспечения симметрии УП должны быть однотипными, иметь одинаковые параметры и симметричные режимы.

Для обеспечения симметричности режимов на вход двухтактного каскада подаются два симметричных напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2, которые равны по величине, но противоположных по фазе.

Эти напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2 получены при помощи входного трансформатора ТР₁ со средней точкой во вторичной обмотке (трансформатор является нагрузкой предоконечного каскада). Нагрузкой транзисторов VТ₁ и VТ₂ является первичная обмотка трансформатора ТР₂ (со средней точкой), включенная в общую коллекторную цепь обоих транзисторов.

Смещение на транзисторы подается с делителей R₁ и R₂.

Температурная стабилизация режимов транзисторов обеспечивается включением терморезистора RТ в общей цепи эмиттерных токов транзисторов VТ₁ и VТ₂. Как правило, для обеспечения симметрии схемы и стабилизации режима в цепи эмиттеров транзисторов VТ₁ и VТ₂ включаются регулировочные резисторы R₁ и R₂ , не блокированные конденсаторами (при этом образуется отрицательная обратная связь по переменному току, которая будет обеспечивать стабилизацию режима транзисторов).

Мгновенная полярность усиливаемого сигнала на вторичной обмотке трансформаторов ТР₁ показана на рисунке 21.2. Так как к каждому из транзисторов приложены равные по величине, но противоположные по фазе напряжения, то и переменные составляющие коллекторных токов транзисторов будут сдвинуты по фазе на 180. Усилитель работает в режиме усиления класса «А».

Путь прохождения переменной составляющей коллекторного тока транзистора VТ₁ возможно представить следующей последовательностью: эмиттер-коллектор транзистора VТ₁, верхняя часть первичной обмотки трансформатора ТР₂, С_Ф, эмиттер транзистора VТ₁;

Путь прохождения переменной составляющей коллекторного тока транзистора VТ₂: эмиттер-коллектор транзистора VТ₂, нижняя часть первичной обмотки трансформатора ТР₂, С_Ф, эмиттер транзистора VТ₂.

Сравнивая эти цепи, можно заметить, что в «общем проводе» (на участке АВ) переменные составляющие коллекторных токов компенсируют друг друга (так как они сдвинуты на 180). Это означает, что в «общем проводе» переменная составляющая отсутствует. Это упрощает требования к блокировочной емкости С_Ф и ее величина может быть вдвое меньше, чем в обычном усилителе.

Так как переменная составляющая коллекторного тока не ответвляется в «общий провод», то фактически она протекает в цепи (эмиттер-коллектор транзистора VТ₁, первичная обмотка трансформатора ТР₂, коллектор-эмиттер транзистора VТ₂). Это прохождение в одну часть полупериода входного сигнала, а во вторую часть полупериода ток протекает в этой же цепи в обратном направлении.

Постоянные составляющие коллекторных токов обоих транзисторов I₀₁ и I₀₂ в первичной обмотке трансформатора ТР₂ протекают навстречу друг другу и при равенстве этих токов магнитные потоки, создаваемые ими, взаимно компенсируются. Это приводит к отсутствию вредного подмагничивания трансформатора постоянным током, что облегчает вес конструкции трансформатора и уменьшает его габариты.

Следует отметить, что четные гармоники коллекторных токов также взаимно компенсируются, так как они протекают в первичной обмотке трансформатора ТР₂ навстречу друг другу. Их отсутствие резко уменьшает нелинейные искажения по сравнению с однотактной схемой. Компенсация четных гармоник позволяет выбрать более экономичный режим В или (АВ), который неприемлим в однотактной схеме.

Достоинства двухтактной схемы УМ:

1. Компенсация влияния четных гармоник на выходе.

2. Отсутствие постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора постоянными составляющими коллекторных токов.

3. Компенсация нечетных гармоник тока в общем проводе питания (уменьшает паразитную межкаскадную связь, повышает устойчивость усилителя, упрощает его развязывающий фильтр).

4. Полезная мощность в 2 раза больше, чем в однотактной схеме (при одинаковых типах усилительных элементов и режимах их работы).

5. Пульсации питающих напряжений не создают фона, так как вызывают синфазное изменение выходного тока I_ВЫХ в обоих усилительных приборах, что не приводит к изменению магнитного потока в выходном трансформаторе. Это упрощает и удешевляет сглаживающие фильтры источника питания.

6. Двухтактные УМ почти не подвержены самовозбуждению за счет паразитных межкаскадных связей через общий источник питания, т.к. выходные токи транзисторов, протекающие через общий источник питания, не содержат составляющих основной частоты. Это позволяет упростить и удешевить развязывающие фильтры в цепях питания каскада, а в самом каскаде представляется возможным исключить блокировочные конденсаторы цепей питания и смещения.

Недостатки двухтактного УМ:

1. Сложность схемы.

2. Трудность обеспечения полной симметрии плеч схемы.

3. Входное напряжение должно быть в 2 раза больше, чем в однотактной схеме (на вход каждого плеча подается только половина входного напряжения).

4. Усложняется схема предоконечного каскада (он должен обеспечить на входе двухтактной схемы два равных и противофазных напряжения).

Выводы по 2-му вопросу:

1. Главным достоинством двухтактной трансформаторной схемы является увеличенная в два раза выходная мощность усилителя.

2. Главным недостатком, сдерживающим использование двухтактной трансформаторной схемы является ее большая масса, габариты, а также сложность симметрирования.