Лабораторная работа №5 исследование бестрансформаторного усилителя мощности.

Цель работы состоит в изучении основных принципов построения современных усилителей мощности, приобретении навыков в экспериментальном исследовании и определении основных показателей бестрансформаторного усилителя мощности.

1. Краткие теоретические сведения.

Усилитель мощности предназначен для передачи больших мощностей сигнала в низкоомную нагрузку при малых нелинейных искажениях в рабочей полосе частот и при минимальных потерях мощности.

Линейность амплитудной характеристики достигается введением как местных, так и общей обратной связи.

Наибольшие потери мощности обеспечиваются работой в режимах В и АВ двухтактного оконечного каскада.

В современной схемотехнике используют преимущественно бестрансформаторные усилители, так как транзисторы в отличие от ламп могут работать с большими токами при малых питающих напряжениях и создавать таким образом в низкоомной нагрузке требуемую мощность. Бестрансформаторные усилители имеют ряд преимуществ по сравнению с трансформаторными:

1. отсутствие дополнительных линейных и нелинейных искажений из-за трансформатора;

2. возможность использования глубокой обратной связи из-за отсутствия больших фазовых сдвигов, вносимых трансформатором;

3. более высокий реальный к.п.д. из-за отсутствия потерь в трансформаторе.

4. меньшие габариты вес.

Простейшая схема оконечного бестрансформаторного усилителя содержит транзисторы V1 и V2 n-p-n и p-n-p типов (рис. 5.1) и представляет мостовую схему, плечи которой составлены из участков коллектор-эмиттер транзисторов и источников питания.

Оба транзистора включены по схеме эмиттерного повторителя. В диагональ мостовой схемы включена нагрузка Rн. Транзисторы работают в режиме, близком к В. При отсутствии сигнала оба транзистора закрыты. При разных сопротивлениях участков коллектор-эмиттер потенциал эмиттеров равен нулю и ток через Rн равен нулю.

При положительном или отрицательно входном напряжении открывается соответственно транзистор V1 или V2 и через нагрузку Rн протекают токи противоположных направлений.

При синусоидальном входном напряжении u_вх =U_вхmsinωt и допущении о линейности передаточных характеристик транзисторов и их базы инерционности через нагрузку течет ток i_н =U_нmsinωt и напряжения на нагрузке u_н =U_нmsinωt.

Мгновенная мощность потерь p₁=p₂=p на каждом из транзисторов

5.1

Введя коэффициент использования напряжения источника питания , получаем мощность потерь на период сигнала:

5.2

Так как , то мощность потерь на каждом транзисторе равна:

5.3

и достигает максимальной величины при

Мощность в нагрузке

5.4

и коэффициент полезного действия

5.5

Максимальный к.п.д. при ξ=1 составляет 78,5%. Реально достигается к.п.д., равный 60-65%. На рис. 5.2 приведены зависимости потребляемой мощности Р_пот, мощности в нагрузке Р_вых и к.п.д. η от величины ξ. Разность ординат Р_пот и Р_вых является мощностью потерь Р на транзисторах.

Схема рис. 5.1 не требует для управления фазоинверсного каскада, но не всегда применима из-за отсутствия одинаковых по свойствам n-p-n и p-n-p - транзисторов. Эту трудность обходят применением искусственного эквивалента p-n-p –транзистора, составленного из двух приборов: маломощного p-n-p –транзистора V3 и мощного n-p-n транзистора V4 (рис. 5.3).

По своим свойствам эквивалент подобен составному эмиттерному повторителю на V1 и V2, так как он не изменяет полярности сигнала и имеет коэффициент передачи по напряжению меньше единицы.

В схеме рис. 5.3 из-за криволинейности начальных участков передаточных характеристик транзисторов появляются “В” искажения сигнала в окрестности его нулевого значения. Для устранения этих искажений транзисторы должны работать в режиме АВ или А, что требует подачи на эмиттерные переходы отпирающих напряжений. Противоположные по знаку для n-p-n и p-n-p –транзисторов отпирающие напряжения создают каскад предварительного усиления на транзисторе V1 (рис. 5.4).

Ток коллектора V1 создает на резисторе R2 падение напряжения, равное 3Uбэ, что вызывает протекание тока покоя через транзисторы V2,V3,V4,V5. При работе усилителя из-за нагревания транзисторов растет ток через оконечный каскад. Для стабильности рабочей точки применяют отрицательную обратную связь по постоянному току (резисторы R5,R6), а также термокомпенсацию. При термокомпенсации вместо резистора R2 включают термочувствительный элемент: терморезистор, цепь из полупроводниковых диодов, транзистор, который имеет тепловой контакт с оконечными транзисторами. С нагревом оконечных транзисторов уменьшается сопротивление термочувствительного элемента и, следовательно, падение напряжения на нем, создаваемое током коллектора V1. От этого уменьшается ток покоя оконечных транзисторов.

Для стабилизации свойств усилителя – повышения стабильности усиления, улучшения линейности амплитудной характеристики, уменьшения смещения точки – весь усилитель охватывают цепью обратной связи. На рис. 5.5 приведена структурная схема подобного усилителя.

На схеме А2 – оконечный усилитель; А1 – предварительный усилитель. С выхода А2 напряжение обратной связи поступает на вход А1 через цепь резисторов R1,R2 и конденсатора С. При достаточной емкости конденсатора С напряжение обратной связи постоянно по фазе в широкой полосе частот и вычитается из входного сигнала. Коэффициент усиления с обратной связью К_ОС равен:

где К₁, К₂ – коэффициенты каскадов А1 и А2;

При βК₁К₂>>1 коэффициент Кос приближенно равен , т.е. стабильность его определяется стабильностью параметров цепи обратной связи. Линейность амплитудной характеристики увеличивается в (1+ βК₁К₂) раз.

При непосредственных связях между каскадами в усилителях А1 и А2, а также между ними, через резистор R1 действует обратная связь по постоянному току. Обратная связь стабилизирует положение рабочей точки оконечного каскада. Чем больше коэффициент усилителя А1 (усилитель А2 обычно не усиливает сигнал по напряжению), тем эффективнее стабилизация режима. При этом, если входное сопротивление усилителя А1 по инвертирующему входу больше сопротивления резистора R2, то глубина обратной связи по постоянному току больше, чем по переменному.

Амплитудно-частотная характеристика, снятая при малом сигнале, не определяет частотных свойств усилителя на большом сигнале. С увеличение частоты предельная амплитуда неискаженного сигнала на нагрузке уменьшается. Причины этого явления состоят в следующем:

1. Усилитель имеет ограниченные возможности по току для перезаряда емкостей схемы, как паразитных, так и специально введенных для коррекции против самовозбуждения.

2. Ограничение сигнала, хотя бы в одном из каскадов усилителя при работе с предельными амплитудами напряжения. В усилителе с обратной связью ограничение обычно появляется во входном каскаде из-за задержки сигнала обратной связи.

Обе причины определяют поведение усилителя на повышенных частотах. При появления ограничения в каскаде усилителя емкость С, связанная с этим каскадом, перезаряжается постоянным по величине током I. Скорость перезаряда емкости будет определять максимальную скорость нарастания выходного напряжения .

При синусоидальном входном сигнале u_вх (t)=U_вхmsinωt скорость изменения достигает максимального значения при прохождении сигнала через нулевое значение и равна U_вхmω. Предельная амплитуда неискаженного напряжения на нагрузке получается до тех пор, пока . При дальнейшем повышении частоты сигнала без изменения его амплитуды напряжение на нагрузке искажается и принимает треугольную форму. Количественно быстродействие усилителя при синусоидальном сигнале оценивают полосой максимальной мощности, которая определяется частотой ω_р , на которой можно получить максимальную амплитуду неискаженного напряжения на выходе .