Описан масштабный усилитель с выходной мощностью 50 Вт при нагрузке 4 Ом, обеспечивающий уровень паразитных спектральных составляющих, обусловленных интермодуляцией, не более — 80 дБ в полосе частот до 20 кГц, полосу пропускания 1 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 100 В/мкс и векторную погрешность 0,1% на частоте 20 кГц при коэффициенте передачи 5 В/В.
Для проведения электроакустических, электромеханических и других экспериментальных исследований часто требуются мощные масштабные усилители постоянного тока, обеспечивающие максимально возможную линейность амплитудной, частотной и фазовой характеристик в диапазоне частот до 20 кГц. А также минимальный уровень паразитных спектральных составляющих при обработке сложных сигналов. Большое значение имеет и время установления выходного напряжения с заданной погрешностью от установившегося значения, если ток нагрузки изменяется скачкообразно или входное напряжение усилителя носит импульсный характер.
На основании проведенных исследований [1, 2] можно утверждать, что основной проблемой, возникающей при построении мощных масштабных усилителей повышенной точности, является подавление интермодуляционных искажений, которые определяются присутствием в выходном сигнале усилителя паразитных спектральных составляющих — продуктов перемножения сигналов, а также их гармоник.
По природе возникновения интермодуляционные искажения можно условно подразделить на следующие:
- тепловые;
- обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики разомкнутого (т. е. без ООС) усилителя;
- связанные с нарушением условия динамической линейности [3] замкнутого (т. е. охваченного ООС) усилителя.
Если выполняется условие динамической линейности
где Vm — скорость нарастания выходного напряжения, Uвых макс — максимальное выходное напряжение, ƒср.ООС — частота среза усилителя по основному контуру ООС, то значение паразитной спектральной составляющей в выходном сигнале усилителя с выходным каскадом, работающим в классе В или АВ, можно оценить при помощи следующего выражения:
где Uвых — выходное напряжение, U0 — зона нечувствительности, f — частота входного синусоидального сигнала, Kiooc — глубина ООС. на данной частоте, Iн — амплитуда тока нагрузки, R э — эквивалентное сопротивление в цепи эмиттера мощного транзистора.
Если условие динамической линейности не выполняется, то при оценке глубину ООС в знаменателе вышеприведенного выражения следует положить равной нулю.
Кроме того, интермодуляция второго типа возникает в следующих случаях:
- во входном дифференциальном каскаде усилителя, который (для биполярных транзисторов) имеет нелинейную передаточную характеристику кубического типа [1];
- при реализации усилителя по схеме с последовательной ООС из-за нелинейной зависимости коэффициента ослабления синфазного сигнала от синфазного напряжения и частоты сигнала;
- в любом каскаде усиления напряжения, так как модуляция тока коллектора при изменении напряжения на переходе имеет в первом приближении кубический характер, а емкость коллекторного перехода зависит от напряжения на нем в степени ½
В высоковольтных (предоконечных) каскадах усиления напряжения эти явления усугубляются тепловой инерционностью транзисторов [1, 2], а также появлением соответствующего ей дополнительного фазового сдвига на частотах 40 — 150 Гц.
Тепловые явления особенно ярко проявляются при исследовании переходных процессов в масштабных усилителях постоянного тока (любой мощности), так как они вызывают значительное (в 5 — 10 раз по сравнению с расчетным значением) затягивание времени установления в зоне погрешностей менее 1 % от установившегося значения выходного напряжения. Установлено, что при реализации оптимальной для мощного масштабного усилителя «двухполюсной» амплитудно-частотной характеристики (а.ч.х.) время установления выходного напряжения с погрешностью 1% от установившегося значения не должно превышать 5ƒ -1 ср.ООС при отсутствии колебательности и резких изломов переходной характеристики (перерегулирование определяется указанной формойАЧХ).
В результате исследований выработаны следующие практические рекомендации по построению мощных масштабных усилителей повышенной точности, позволяющие при их учете минимизировать уровень паразитных спектральных составляющих, обусловленных интермодуляцией. А также реализовать приемлемое значение времени установления усилителя в зоне малых погрешностей: для мощного масштабного усилителя наиболее целесообразной является инвертирующая структурная схема с параллельным высокочастотным каналом усиления [4]; так как любые изменения напряжения питания усилителя являются для каскадов усиления напряжения паразитным синфазным сигналом, следует максимально подавить их воздействие при помощи стабилизирующих и фильтрующих элементов во всех токозадающих цецях: все усилительные каскады и генераторы тока необходимо строить по каскадным схемам.
С учетом изложенных соображений и рекомендаций было реализовано несколько вариантов мощных масштабных усилителей. Параметры усилителя типа У МВТ 50-84 следующие:
| номинальное выходное напряжение, В | ±20; |
| номинальное активное сопротивление нагрузки, Ом | 4; |
| полоса пропускания, МГц | 1; |
| полоса пропускания при номинальной выходной мощности, кГц | 100; |
| скорость нарастания выходного напряжения (измеренная на импульсном сигнале со скважностью 5), В/мкс | 100; |
| время установления выходного напряжения 10 В с погрешностью 1 % от установившегося значения, мкс | 2; |
| векторная погрешность на частоте 20 кГц при выходной мощности 27 Вт не более, % | 0,1; |
| уровень паразитных спектральных составляющих всех видов не более, дБ | —80; |
| коэффициенты гармонических и интермодуляционных искажений, % | 10 3 ) в широкой полосе частот и подавление интермодуляции. Конденсатор С12 совместно с емкостями коллектор — база транзисторов T6, T8, входной емкостью усилителя тока, а также форсирующей цепью R5, С3 в высокочастотном канале формирует АЧХ усилителя на высоких частотах. |
В цепи питания каскадов усиления напряжения включены достаточно эффективные пассивные фильтры и параметрические стабилизаторы напряжения для высокочастотного канала, ОУ и для фиксации напряжения на базах T3, T4. Низкочастотные пульсации в цепи питания высоковольтного каскада не подавляются фильтрами, но они не приводят к изменению рабочего тока (а следовательно, к появлению интермодуляции), так как режим работы каскада стабилизирован низкочастотным каналом усиления.
Выходной усилитель тока (T10 — Т11) реализован по классической схеме. Начальный ток выходных транзисторов ( 300 пФ последовательно с выходом усилителя необходимо включать разделительный дроссель (10 — 30 мкГн), зашунтированный резистором 5 — 20 Ом. Транзисторы T12 , T13 снабжены теплоотводами площадью 20 см 2 , а T14, Т15 — 800 см 2 . Усилитель выполнен на печатной плате из стеклотекстолита размером 160 х 100 мм 2 . Применение гетинакса или текстолита недопустимо ввиду неудовлетворительных диэлектрических свойств этих материалов.
ЛИТЕРАТУРА
- Данилов А. А., Полонников Д. Е. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. М.: Радио и связь, 1983. Вып. 7. С. 101.
- Лихницкий А. М. Опыт, результаты, проблемы: повышение конкурентоспособности радиоэлектронной аппаратуры. Таллин: Валгус, 1985. Вып. 3. С. 66.
- Данилов А. А., Полонников Д. Е. Автоматика и телемеханика. 1982. № 10. С. 159.
- Полонников Д. Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехннка. М.: Энергоатомпздат, 1983.
Институт проблем управления, Москва
Поступила в редакцию 14.IX.1987
Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току. Поэтому Для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь между каскадами.
Рис. 3. АЧХ УПТ
Структурная схема усилителя постоянного тока
При проектировании усилителя постоянного тока следует учесть, что его структурная схема состоит из нескольких частей:
Рис.4. Структурная схема УПТ
Источник сигналов служит для подачи сигнала, который нужно усилить; входной и выходной каскады, которые служат непосредственно как усилитель; нагрузка служит для непосредственного приёма усиленного сигнала. Спецификация входного и выходного каскадов обуславливается конкретными характеристиками источника сигнала и нагрузки, с которыми непосредственно связаны эти каскады. Выбор схемы и режима входного каскада осуществляется с учётом свойств источника усиливаемого сигнала. Аналогично, выбор схемы и режима выходного каскада зависит в первую очередь от нагрузки, на которую работает усилитель: необходимого уровня (мощности, напряжения или тока) сигнала, характера и величины сопротивления нагрузки, наличия зажима, допускающего соединение с общим (заземлённым) проводом и т. д.
Определение структурной схемы усилителя составляет первый этап проектирования всякого усилительного устройства, после чего возможен подробный расчёт всех каскадов. В то же время правильный выбор структурной схемы, позволяющий получить требуемые характеристики усилителя в целом, опирается на знание типичных характеристик, которыми обладают различного вида усилительные каскады, вариантов их схем и режимов, способов связи между собой и достаточного ассортимента схемных решений, таких устройств, как регуляторы, частотные корректоры, включая схемы с обратной связью.
Пример УПТ с ОЭ на БТ (n-p-n типа)
Рис.5 Схема двухкаскадного усилителя постоянного тока
Функцию усилительного элемента в двух каскадах выполняют транзистор VT1, VT2 работающий в активном режиме.
В первом каскаде:
Резистор R2 задает динамический режим работы УЭ. При отсутствии R2 невозможно изменение напряжения на выходе каскада, даже при создании всех необходимых условий.
Резисторы R1 и R3 образуют резистивный делитель, задающий режим покоя (режим по постоянному току) каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя коллектора Iо2 создается заданием тока покоя базы Iо13 соответствующей величины.а в втором каскаде принцип работы так же как принцип работы первого каскада только сигнал на выходе первого каскада вступает на входе второго каскада
G1 — источник питания каскада и источник питания цепи смещения(R1,R3).
Электронный усилитель в общем случае состоит из отдельных каскадов, соединенных между собой последовательно, смотри рисунок 4.2.
Рисунок 4.2 – Структурная схема усилителя
Функция передачи всего усилителя 
равна произведению функций передачи 
отдельных (i-х) каскадов рассчитывается по формуле (4.14)
(4.14)
откуда следует, что амплитудно-частотная характеристика усилителя является произведением АЧХ каскадов, а фазочастотная характеристика – соответственно суммой их ФЧХ, смотри формулы (4.15)
. (4.15)
Рассмотрим усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ), показанный на рисунке 4.3 и семейства выходных вольтамперных характеристик на рисунке 4.4.
Рисунок 4.3 — Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ)
 |
Рисунок 4.4 – Рабочий сектор семейства выходных ВАХ
Каждый каскад состоит из одного или нескольких основных активных элементов (транзисторов) и вспомогательных элементов, обеспечивающих режим по постоянному току (режим покоя) активных элементов, что требуется для работы каскада в линейном режиме.
Усилительный каскад состоит из:
ЕП – источник постоянного тока;
Еr — источник переменного тока;
RК – нагрузка усилителя по постоянному току;
RН – нагрузка усилителя по переменному току;
RЭ – элемент для повышения стабильности рабочей точки усилителя по постоянному току; кроме того RЭ по переменному току не должно оказывать влияния на работу схемы и для этого существует СЭ – на частотах усиления сопротивление СЭ должно быть минимальным;
RЭ СЭ – цепь эмиттерной термостабилизации;
СР – для отделения цепей по постоянному току (гальванически);
RБ2 – является нагрузкой предыдущего каскада по переменному току, можно обойтись и без него, но без него работа транзистора сильно зависит от температуры окружающей среды;
RБ1 RБ2 – делитель, используется для задания IБ в рабочей точке, на базу с помощью делителя подается постоянное напряжение той же полярности, что и на коллектор. Также для исключения влияния внутренних токов транзистора на работу схемы. Для стабильности работы схемы при изменении температуры Iд=2,5 IБmax.
Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин резисторов по заданным параметрам нагрузки, например, Um вых и Rн, и напряжению источника питания EП. Выбор рабочей точки осуществляется по постоянному току, но это обеспечивает работу усилительного каскада по переменному току.
Выбранная точка покоя (рабочая) должна обеспечить требуемую величину тока и напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Она характеризуется значениями тока и напряжения коллектора при отсутствии входного сигнала ( 
на рисунке 4.4) и должна располагаться в рабочем секторе семейства выходных характеристик.
Рабочий сектор семейства выходных ВАХ биполярного транзистора, образующего усилительный каскад, ограничивается, с одной стороны, участками с нелинейной зависимостью между выходным и входным сигналами ( 
– режим отсечки; 
– режим насыщения), а с другой стороны, участками, где возможен электрический ( 
) или тепловой пробой (при рассеиваемой транзистором мощности 
больше допустимой 
). В пределах рабочего сектора положение рабочей точки определяется требованиями к параметрам каскада — коэффициент усиления, потребляемая мощность, максимальная выходная мощность, КПД и др.
Ток покоя находим из выражения (4.16)
Напряжение покоя обычно выбирается из равенства (4.17) чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений
Уравнение статической линии нагрузки (4.18)
Iк= 
(4.18)
Построение статической линии нагрузки для усилительного каскада, смотри рисунок 4.5, показано на рисунке 4.6 (линия ав). Задаем, как данные, значения ЕП и IК в зависимости от размера предполагаемого усиления данного каскада. В рабочем секторе строим нагрузочную прямую, угол наклона которой определяется в зависимости от амплитуды выходного сигнала. На нагрузочной прямой задаем рабочую точку (покоя), причем задаем посередине, т.к. необходимо сформировать положительные и отрицательные полуволны и так, чтобы не было искажений сигнала (нарисовать зависимость UКЭ от времени – по поводу искажений выше UКЭмах и ниже 0).
Линию нагрузки можно построить в координатах Iк, Uкэ по двум точкам. Одна из них — точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению — если принять Iк=0, то Uкэ=EП.
Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины Rк по формуле (4.19), RБ по формуле (4.20) и IБп по формуле (4.21)
Rк= 
; (4.19)
RБ= 
; (4.20)
Рисунок 4.5 – Усилительный каскад каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Рисунок 4.6 — Линии нагрузки для усилительного каскада
При работе каскада в режиме холостого хода и iвх=Imвхsinwt рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше EП/2.
Ток базы и напряжение коллектор-эмиттер определяем по формулам (4.22), (4.23)
, (4.22)
(4.23)
При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно Rк включается Rн. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, смотри уравнение (4.24)
(4.24)
Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай — Diкэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Diк и подсчитав изменение напряжения DUкэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рисунке 4.6 (c-d). Очевидно, что угол между осью Uкэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше Rн (при Rн=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения Uвых пр с уменьшением Rн становится меньше Eк/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение Um вых, больше, чем Uвых пр, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают Iкп и анализ повторяют.
Динамические параметры каскада показаны в выражениях (4.25) – (4.27)
ки= 
; (4.25)
; (4.26)
При увеличении температуры окружающей среды у биполярного транзистора уменьшается напряжение 
открытого эмиттерного p-n-перехода и увеличивается тепловой ток 
закрытого коллекторного p-n- перехода, а также коэффициент передачи эмиттерного тока 
, в результате чего увеличивается ток коллектора 
, т.е. смещается рабочая точка
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: "Что-то тут концом пахнет". 8428 — 
| 8040 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
