Усилитель мощности на дискретных элементах - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Введение
Электронные усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для усиления
сигналов переменного тока, частоты которых лежат в интервале от низкой
частоты fн до какой-то частоты fв. Они используются в разнообразнейших по
назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих
частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.
Особенности УНЧ, требования к их показателям во многом определяются
характером нагрузки и условиями их применения. Нагрузка в подавляющем
большинстве случаев носит комплексный характер, являясь электромагнитным
или электростатическим устройством. Условия применения УНЧ определяют
диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен
сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий,
требования к весовым и энергетическими показателями.
Круг требований к УНЧ с довольно широкой полосой рабочих частот
связан, в основном, с интервалом рабочих частот, в пределах которого
полезный сигнал должен усиливаться с допустимыми частотными и нелинейными
искажениями. УНЧ с узкой или фиксированной рабочей частотой предназначены,
в основном, для работы на демодуляторы или двухфазные индукционные
двигатели. Основные требования к таким усилителям связаны с фазо-частотной
характеристикой. Однако отмеченные особенности УНЧ не исключают общего
подхода к проектированию.
Рассмотренные усилители характеризуются различными конструктивными и
энергетическими показателями. К первым можно отнести вес и габариты,
выделение тепла, стойкость к механическим воздействиям и прочим. К
энергетическим следует отнести показатели, характеризующие режим работы
транзисторов, свойства усилителей по отношению к сигналу переменного тока.
Важнейшими из них являются коэффициент усиления по напряжению (току,
мощности), его стабильность, полоса рабочих частот, коэффициент частотных
искажений, угол сдвига фазы между входным и выходным сигналом, входное и
выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений. О таких
показателях УНЧ можно сказать следующее. Если в усилителе не предусмотрены
специальные меры стабилизации, то его коэффициент усиления может измениться
в широких пределах из-за большого технического разброса параметров
транзистора.
Транзисторные усилители имеют сравнительно небольшую верхнюю граничную
частоту усиления, если в оконечном каскаде использован мощный транзистор.
Вместе комплексными цепями связи это приводит к значительным частотным
искажениям усиливаемого сигнала. Нелинейность вольтамперных характеристик
транзистора является источником больших нелинейных искажений на выходе
усилителя. Физические свойства транзистора как усилительного элемента
определяют низкое входное и высокое (при работе транзистора в активной
области) выходное сопротивление усилительного каскада.
Для оценки возможности использования таких транзисторных усилителей
сопоставим основные параметры с требованиями, которые к ним часто
предъявляются. Усилитель связан входной цепью с источником сигнала, не
допускающим, как правило, сколько-нибудь значительных нагрузок по току. Это
заставляет искать пути увеличения входного сопротивления транзистора в
десятки, сотни и тысячи раз. Входная цепь усилителя передает усиленный
сигнал в нагрузку. Во многих случаях удобно подавать питание в нагрузку
либо от источника тока (внутреннее сопротивление усилителя стремиться к
бесконечности), либо от источника напряжения (внутреннее сопротивление
усилителя близко к нулю). Иначе говоря, одной из практических задач при
проектировании усилителя является изменения его входного сопротивления.
Требования повышения точности работы системы в различных климатических
устройствах вынуждают стабилизировать коэффициент усиления. В усилителях,
работающих в радиотехнических системах, всегда жесткие требования
предъявляются к частотным искажениям, а в усилителях системы автоматики,
управляющих двигателями переменного тока, к уменьшению фазового сдвига.
Обычно, без специальных мер, транзисторные усилители не удовлетворяют этим
требованиям.
Таким образом, условия применения транзисторных усилителей в различных
электронных устройствах намечают определенную направленность в изменении
свойств УНЧ. Эти задачи усложняются требованиями сохранения
работоспособности усилителя в широком температурном диапазоне окружающей
среды и значительным техническим разбросам параметров транзисторов.
Основная часть
1 Аналитический обзор
Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и
совершенствованием усилительных элементов – сначала ламп, затем
транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих
электрические сигналы.
Ламповая усилительная техника стала развиваться в результате
появления в 1904г. вакуумного диода, изобретенного американским инженером
Флемингом, и в особенности после изобретения Ли де Форестом в
1907г. вакуумного триода.
В развитие теории и техники усилителей внесли свой вклад и
отечественные специалисты. Так, в 1910г. В.И. Коваленков создает усилитель
на триоде, а в 1915г. демонстрирует на всероссийском съезде инженеров –
электриков первые в мире макеты телефонных усилителей для
международной связи, которые оказались лучшими среди аналогичных
усилителей, предложенных специалистами из других стран. Усилители,
разработанные В.И. Коваленковым, были использованы в 1922г. на телефонной
линии между Москвой и Ленинградом, а в 1931г. – между Москвой и
Кузбассом.
В 1918г. была основана Нижегородская радиолаборатория, руководимая
М.А. Бонч – Брускевичем, которая освоила выпуск маломощных приемо -
усилительных, а также маломощных генераторных ламп, используемых,
соответственно в радиоприемной и радиопередающей аппаратуре. Молодой
сотрудник радиолаборатории О.В. Лосев открыл в 1922г. свойство
кристаллического детектора усиливать и генерировать электрический
колебания. Работы О.В. Лосева, несомненно способствовали изобретению в
будущем транзистора. В 1925г. А.И. Берг разработал теорию
линеаризации ламповых характеристик, создал основы методики инженерного
расчета усилителей. В первой крупной монографии А.И. Берга «Основы
радиотехнических расчетов усилителей» подробно анализировал все
известные в то время ламповые каскады. Дальнейшее развитие теории и
расчета усилителей было отражено в работе М.Т. Марка «Усилители
низкой и высокой частоты (расчет и проектирование)» и «Усилители низкой
частоты».
Резкий скачек в улучшении показателей усилителей произошел в
результате применения в них отрицательной обратной связи, предложенной в
1927г. американским инженером Х. Блеком.
Во второй половине 30-х годов начинают создаваться широкополосные
усилители гармонических и импульсных сигналов, предназначенные для
телевидения, радиолокации и т.д. Значительное место в Разработке таких
усилителей занимают работы Г.В. Брауде, а также О.Б. Лурье, предложившего
проведение их анализа и расчета на основе использования переходных
характеристик.
Транзисторная усилительная техника получила возможность своего
развития после изобретения в 1948г. американскими учеными Дж. Бардин, У.
Браттейном и У. Шокли трех электродного полупроводникового усилительного
элемента – транзистора, ставшего быстро вытеснять электронную лампу из
радиотехнических устройств. Большой вклад в развитие теории усилителей
внесли такие ученые. Как Х. Найквест, а также Р. Борде, перу которого
принадлежит известная монография «Теория цепей и проектирование
усилительных устройств с обратной связью».
Определенную роль в развитии теории и практики усилителей сыграли
работы отечественных ученых Г.С. Цыпкина, Г.В. Войжвилло, С.Н. Кризе, Н.Л.
Безладкова, А.Г. Муродяна и другие.
60-е годы нынешнего столетия ознаменовались созданием лауреатами
Нобелевской премии академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым квантовых
усилителей, способных работать как в оптическим, так и в
радиодиапазоне. Эти усилители стали применять в оптических системах,
системах связи, космических системах радиолокации, медицинской технике и
т.д. В этот же период были продолжены (начатые еще в 1945г.) работы по
созданию более совершенной аппаратуры для систем передачи с использованием
кабельных линий. Вслед за разработанной (в период 1945-1960гг.) аппаратурой
на 24 и 60 телефонных каналов к 1960г. было разработано и внедрено
оборудование более сложной системы К-1920 (на 1920 каналов), позволяющим
передавать наряду с телефонными сигналами и телепрограммы. Эта
система имела спектр передаваемых частот 312 – 8524 кГц по
однополосному способу. В дальнейшем был создан усовершенствованный
вариант этой системы К-1920У.
В аппаратуре систем передачи немаловажная роль отводится линейным
усилителям, входящих в ее состав, а так же устройствам автоматического
регулирования усиления и амплитудно-частотной коррекции.
Впоследствии была создана система К-3600 ( на 3600 каналов ),
работающая в диапазоне частот 0.8 .. 18 МГц. В свое время была разработана
аппаратура системы К-5400 с полосой частот до 30МГц и система К-10800(на
10800 каналов).
Стремление к дальнейшему совершенствованию усилительной техники,
улучшению ее показателей, привело в конце 60-х гг. к созданию усилителей на
основе интегрально (планарной) технологии. Усилители, выполненные с помощью
этой технологии, имеют малые габариты и энергопотребление, обладают высокой
надежностью, хорошими экономическими и качественными показателями. В
разработку методов анализа и расчета усилителей с использованием
интегральных микросхем внесли значительный вклад работы таких ученых, как
Л. Хьюлсман, Дж. Греш, Р. Видлар, Дж. Ленк, И. Достал. Из отечественных
специалистов в этой области можно отметить работы В.А. Шило, А.Г.
Алексеенко, Е.А. Калобеа, А.Г. Остапенко, Д.Е. Полынникова.
В последние годы быстрыми темпами развивается оптоэлектроника,
представляющая радел науки и техники, объединяющий как оптические, так и
электронные явления, с созданием на этой основе различных приборов, схем и
систем. В частности, все шире используется волоконно-оптические системы
связи, в состав которых входят и усилительные устройства. Заметную роль в
развитии технического прогресса вообще и усилительной техники в частности
сыграло создание ЭВМ. Машинное проектирование электронных схем, в том числе
и электронных усилителей, представляет собой сравнительно новую область
науки и техники – схемотехническое проектирование.
Первоначально ЭВМ использовали для нахождения оптимальных результатов
работы усилительных элементов, основных параметров и характеристик, в
частности аплитудо - частотных характеристик и фазо - частотных
характеристик. Впоследствии с помощью ЭВМ стали решаться задач синтеза, в
том числе и корректирующих LCR - элементов в цепях межкаскадных связей, в
цепях обратной связи, а также в частотноформирующих цепях на входе и
выходе усилителя.
С широким применение интегральных схем машинное проектирование
микроэлектронных устройств приняло форму системы автоматизированного
проектирования.
Классификация усилителей
Деление на типы осуществляют по назначению усилителя, характеру
входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливаемых частот, виду
используемых активных элементов.
1. По своему назначению усилители условно делятся на усилители
напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное
требование – усиление входного напряжения до необходимого значения,
то такой усилитель относится к усилителям напряжения. Если основное
требование – усиление входного тока до нужного уровня, то такой
усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в
усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит
усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было
бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от
усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке
заданный или максимально возможный уровень сигнала.
2. В зависимости от характера входного сигнала различают усилители
гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных
сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления
непрерывных гармонических сигналов или квазигармонических сигналов,
гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех
нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе
усилителей относятся устройства для усиления импульсов различной
формы и амплитуды с допустимыми искажениями их форм. В этих
усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс
установления колебаний является определяющим при нахождении формы
сигнала.
3. Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить
усилители на следующие типы.
Усилители постоянного тока предназначены для усиления
электрических колебаний в пределах от нижней частоты, равной нулю,
до верхней рабочей частоты усилителя. Главным является то, что они
усиливают постоянные и переменные составляющие входного сигнала.
Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь
переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от
граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного
тока могут быть низкой и высокой частоты. По ширине полосы
усиливаемых частот выделяют избирательные и широкополосные
усилители.
4. По роду применяемых активных элементов усилители делятся на
транзисторные, магнитные, диодные, ламповые, параметрические и др.
В качестве активных элементов в настоящее время в усилителях
чаще используются полевые или биполярные транзисторы, либо
интегральные схемы. Значительно реже применяются активные элементы
в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные типы
полупроводниковых диодов.
Режимы работы усилителей
Режим работы усилителя определяется начальным положением рабочей
точки на сквозной динамической характеристике усилительного элемента, то
есть на характеристике зависимости выходного тока усилительного элемента от
ЭДС входного сигнала.
Различают три основных режима работы – режимы А, В, С.
В режиме А рабочая точка О выбирается на середине прямолинейного
участка сквозной динамической характеристики. Выходной сигнал практически
повторяет форму входного сигнала при относительно небольшой величине
последнего. Нелинейные искажения при этом минимальны. Ток в выходной цепи
существует в течение всего периода входного сигнала. При этом среднее
значение выходного тока велико по сравнению амплитудой его переменной
составляющей. Поэтому КПД каскада невысок – 20-30%.
В режиме В рабочая точка выбирается так, чтобы ток через усилительный
элемент протекал только в течении половины периода входного сигнала.
Усилительный элемент работает с так называемой отсечкой. Ток покоя из-за
нижнего изгиба сквозной характеристики оказывается не равным нулю, и форма
выходного тока искажается относительно входного. В кривой тока появляются
высшие гармоники, что приводит к увеличению нелинейных искажений по
сравнению с режимом А. Среднее значение выходного тока уменьшается, в
результате чего КПД каскада достигает 60-70%.
Существует еще промежуточный режим АВ, когда рабочая точка выбирается
на сквозной характеристике ниже, чем точка А и выше, чем в режиме В.
Поэтому и показатели этого режима имеют промежуточное значение между
режимами А и В – КПД 40-50% при невысоком уровне нелинейных искажений.
Типы связи между отдельными усилительными каскадами.
Можно выделить следующие типы связи между отдельными усилительными
каскадами: гальваническую (непосредственную); емкостную (с помощью RC0
цепочек); трансформаторную; с помощью частотно-зависимых цепей; оптронную.
Для сравнительно низкочастотных усилителей чаще используют первый и
второй тип связи. Третий применяют реже из-за больших габаритов
трансформаторов, невозможности их микро миниатюризации, высокой стоимости,
сложности изготовление, повышенных нелинейных искажений. Четвертый тип
используют при создании избирательных усилителей, а пятый применяется
сравнительно редко, только в специальных случаях, когда при низкой рабочей
частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.
Обратная связь.
Обратную связь (ОС) называют отрицательной, если ее сигнал вычитается
из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным.
При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается, а при положительной
– увеличивается. Из-за схемных особенностей усилителя в цепи ОС возможны
варианты, когда ОС существует только для медленно изменяющегося сигнала,
либо только для переменной составляющей его, либо всего сигнала. В этих
случаях говорят, что обратная связь осуществлена по постоянному, по
переменному, а так же как по постоянному, так и по переменному токам.
В зависимости от способа получения сигнала различают обратную вязь
по напряжению, когда снимаемый сигнал ОС пропорционален напряжению выходной
цепи; обратную связь по току, когда снимаемый сигнал ОС пропорционален току
выходной цепи; комбинированную ОС, когда снимаемый сигнал пропорционален
как и напряжению, так и току выходной цепи.
По способу внедрения во входную цепь сигнала обратной связи
различают: последовательную схему введения ОС, когда напряжение гнала
суммируется с входным напряжением; параллельную схему введения ОС, когда
ток цепи суммируется с током входного сигнала; смешанную схему введения ОС,
когда с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС.
2 Предварительный расчет
Определение амплитуды тока Iнm и напряжения Uнm на нагрузке:
[pic], (2.2.1)
где Pнmax – мощность нагрузки,
Rн – сопротивление нагрузки.
Определение входного сопротивления УНЧ.
Обычно величину входного сопротивления определяют из условия: [pic]. Исходя
из худшего случая, входное сопротивление УНЧ берется равным Rг: Rвх=Rг.
Определение необходимого коэффициента усиления по ЭДС Ke и коэффициент
усиления по напряжению Ku:
[pic] (2.2.2)
Расчет количества каскадов предварительного усиления (КПУ) также
следует производить, ориентируясь на худший случай, т.е. при расчете надо
принимать наименьший коэффициент усиления по напряжению, обеспечиваемый
схемами ОЭ и ОИ: Kumin = 10. Тогда, учитывая, что Rвх = Rг, количество
каскадов КПУ n вычисляется по формуле:
[pic] (2.2.3)
.
Учитывая, что для заведения отрицательной обратной связи (ООС)
разность фаз между входным и выходным сигналом должна быть кратна [pic],
где k – целое число, округляем n до ближайшего целого нечетного числа (в
большую сторону).
Определение напряжения питания УНЧ Eп.
Напряжение питания УНЧ определяется по следующей формуле:
[pic], (2.2.4)
где [pic] - падение напряжения на переходе коллектор – эмиттер
выходного транзистора в режиме насыщения, В;
[pic] - падение напряжение на резисторе, установленном на эмиттерной
цепи выходного транзистора, В.
Ориентировочно принимаем [pic] = 1В, [pic] = 0.7В. Тогда Eп = 28.54В.
Полученную величину округляем к ближайшему целому числу, а затем принимаем
из стандартного ряда: Eп = 30В.
3 Составление структурной схемы усилителя
Структурная схема усилителя приведена на рисунке 2.1
вход
Рис 2.1 – Структурная схема УНЧ
ВхК - входной каскад осуществляет передачу входного сигнала от
источника во входную цепь первого последующего каскада. Основной функцией
входного каскада является обеспечение необходимого входного сопротивления.
Соответственно, при выборе входного каскада следует ориентироваться на
следующие данные: Схема с общим эмиттером имеет входное сопротивление,
равное 103..104 Ом, схема с общим коллектором – 104..105 Ом,
дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах - 103..104 Ом,
усилительный каскад на полевом транзисторе – 105..107 Ом. При этом следует
учитывать снижение или повышение входного сопротивления за счет введения
обратных связей.
КПУ - каскады предварительного усиления предназначены для усиления
напряжения, тока и мощности до значения, необходимого для подачи на вход
усилителя мощности. Количество каскадов предварительного усиления
определяется необходимым усилением.
УМ - каскад усиления мощности должен обеспечить подачу в нагрузку
заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы.
ООС - Отрицательная обратная связь предназначена для стабилизации
режима по постоянному току, задания требуемого коэффициента усиления, а
также снижения коэффициента нелинейных искажений. Осуществляется она путем
передачи сигнала из выходной цепи во входную в противофазе, то есть
выходной сигнал вычитается из входного.
4 Разработка принципиальной электрической схемы усилителя
Принципиальная схема усилителя приведена на рисунке 2.2
С учетом требований к функциональным узлам схемы усилителя,
приведенных в пункте 2.3, выбираем схемы соответствующих каскадов.
Входной каскад – каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с
общим истоком (ОИ); работающий в режиме А. Данный каскад имеет большое
входное сопротивление, значительное усиление как по току, так и по
напряжению, имеет малые нелинейные искажения.
Каскады предварительного усиления – каскады на биполярных
транзисторах, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ), работающий в
режиме А. Данные каскады имеют характеристики несколько хуже, чем ОИ
(небольшое входное сопротивление, большие нелинейные искажения), однако
биполярные транзисторы более надежны и дешевы.
Межкаскадная связь выбрана гальванической, т.к. она не вносит
нелинейных искажений.
Выходной каскад – бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности,
собранный на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим
коллектором. Данный каскад позволяет осуществить непосредственную связь с
нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и
разделительных конденсаторов, имеет хорошие частотные и амплитудные
характеристики. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых
элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие
отрицательные обратные связи, что существенно улучшает преобразовательные
характеристики всего каскада.
При составлении схем выходного и предоконечного каскадов, необходимо
учесть следующие моменты:
- В режиме покоя напряжение база-эмиттер каждого транзистора выходного
каскада должно варьироваться от 0 до, приблизительно, 0.7В. С учетом того
факта, что потенциалы эмиттеров данных транзисторов равны 0, потенциал базы
должен соответственно варьироваться от 0 до 0.7В. Потенциал базы задается
коллекторным резистором предоконечного каскада. При этом на предоконечный
каскад необходимо подать двуполярное питание. При этом следует учитывать,
что с увеличением напряжения база - эмиттер увеличивается ток коллектора
соответствующего транзистора, что приводит к уменьшению нелинейных
искажений данного каскада, но в тоже время и
|
