Кафедра №721 Электроника и схемотехника (Кабаков И.В.) Раздел №1 – Схемотехника электронных аналоговых устройств ТЕМА 2 – «Электронные усилители и преобразователи сигналов» ЛЕКЦИЯ №7 Классы усиления усилителей мощности. Термостабилизация и термокомпенсация усилителей 2022 2 Базовые определения: Усилитель — аналоговое устройство, увеличивающее мощность сигнала с сохранением его формы, т.е. линейно. Увеличение мощности сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию сигнала. Следствие – выходная мощность усилителя не может превышать мощность источника питания Pвых max Pист . 1.1. Основные параметры и характеристики усилителей 1. Коэффициенты усиления усилителя. Различают следующие коэффициенты усиления: коэффициент усиления по напряжению K и U вых / U вх , где Uвых — амплитуда (в общем случае комплексная) выходного напряжения, Uвх — амплитуда (в общем случае комплексная) входного напряжения; коэффициент усиления по току K I I вых / I вх , где Iвых — амплитуда (в общем случае комплексная) выходного тока, Iвх — амплитуда (в общем случае комплексная) входного тока; коэффициент усиления по активной мощности K P Pвых / P вх , где Pвых — активная (средняя) выходная мощность на нагрузке, Pвх — активная (средняя) входная мощность, причем при вещественных KUи KI коэффициент усиления по мощности равен K P K I KU . Для различных схем усилителей допустимы различные значения коэффициентов усиления, но принципиально то, что коэффициент усиления по мощности усилителя всегда должен быть больше единицы K P 1 . При недостаточном коэффициенте усиления усилители могут соединяться последовательно. При последовательном соединении усилительных каскадов (слайд 1) общий коэффициент усиления Кобщ. может быть определён как произведение по следующей формуле: Кобщ = К1∙К2∙…∙Кn, 3 где Кi — коэффициент усиления отдельного i-го каскада, i = 1, 2, …, n, n — число каскадов. 2. Амплитудная характеристика усилителя. Это зависимость амплитуды выходного сигнала (напряжения или тока) от амплитуды входного сигнала: Uвых = f(Uвх), Iвых = f(Iвх), при неизменной частоте входного сигнала. На рис. 1 (слайд 2) представлена типовая амплитудная характеристика усилителя. Uвых 1 2 Е 3 Uп 0 Uпп Uвх Uм Рис. 1. Амплитудная характеристика усилителя На характеристике можно выделить три области изменения входного сигнала. В 1-ой области примыкающей к началу координат входное напряжение мало (меньше или равно Uпп U min ) и выходное напряжение равно напряжению собственных шумов и помех усилителя Uп. Напряжение Uпп часто называют приведенным к входным зажимам (эквивалентным) напряжением помех усилителя Во 2-ой области выходное напряжение линейно возрастает с ростом входного напряжения. Здесь входной и выходной сигналы взаимосвязаны друг с другом через коэффициент усиления усилителя U вых (t ) K уU вх (t ) . Правой границе 2-ой области соответствует входное напряжение U max . 4 Третья область — область ограничения (насыщения), где рост входного сигнала не приводит к увеличению выходного сигнала. В этом случае на выходе усилителя наблюдается сигнал, амплитуда которого, как правило, не превышает напряжения источника питания усилителя. Из трех рассмотренных областей амплитудной характеристики только вторая подходит под определение усилителя. А 1-я и третья являются нерабочими. Определение!!! Динамический диапазон усилителя - это диапазон граничных уровней входного сигнала, для которого усилитель обеспечивает требуемые качественные показатели. Численно динамический диапазон D это отношение минимального и максимального входных напряжений усилителя. D U max , U min Обычно разработчики стараются добиться наибольшего значения динамического диапазона. 3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Это зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала. Используя коэффициент усиления по напряжению, получим Кu = f(f), где в скобках f — частота сигнала. На рис. 2 (слайд 3) представлена типовая АЧХ усилителя. Здесь Кu0 — коэффициент усиления в области средних частот, fн и fв — границы ДРЧ усилителя. Обычно эти частоты определяются по АЧХ усилителя в точках, где Кu уменьшается примерно в 1,41 раза относительно Кu0 (в 2 раза по мощности). 5 Ku Ku0 Ku0 2 0 fн fв f Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя Величину ∆f = fв – fн принято называть полосой пропускания усилителя. В усилителях звуковой частоты, как правило, нижняя граничная частота fн ≈ 20 Гц, а верхняя граничная частота fв ≈15 кГц. В высокочастотных схемах усилителей верхняя частота fв может достигать сотен мегагерц. Для усилителей постоянного тока нижняя частота fн= 0, а верхняя частота fв составляет несколько десятков мегагерц. 4. Искажения в усилителях. При работе усилителя форма входного сигнала не должна изменяться. Несовпадение формы входного и выходного сигналов называются искажениями. Нелинейные искажения возникают за счет нелинейности ВАХ транзисторов. Условно принято считать, что ВАХ имеет линейный участок. Однако ВАХ реальных полупроводниковых приборов неидеально линейные рис. 3 (слайд 4). В этом случае, при подаче на вход гармонического сигнала на выходе усилителя кроме основной гармоники будут наблюдаться 6 гармоники более высоких порядков, т.е. в спектре появятся новые частоты, а форма сигнала исказится. Рис.3. ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ Нелинейность ВАХ приводит к нелинейности передаточной (амплитудной) характеристики рис. 4 (слайд 5). Идеальная uвых Реальная uвх Рис. 4. Идеальная и реальная передаточные характеристики усилителя Передаточная характеристика показывает зависимость выходного напряжения (или тока) от входного на фиксированной частоте. входного сигнала Изменение угла приводит к наклона искажениям по мере формы роста сигнала, т.е. к появлению гармоник. Нелинейные искажения оценива- 7 ются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений): КГ U 22 U 32 ... U n2 , U12 где U1 — амплитуда основной гармоники, U2, U3,…,Un — амплитуды второй, третьей и т.д. гармоник. На практике при оценке нелинейных искажений обычно принимают во внимание только вторую и третью гармоники, поскольку гармоники более высоких порядков имеют пренебрежимо малые амплитуды. В многокаскадных усилителях общий коэффициент гармоник принимается равным сумме коэффициентов гармоник всех составляющих каскадов. 5. Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя pпол , рзатр где pпол — полезная мощность, выделяющаяся на нагрузке, рзатр — мощность, потребляемая от внешнего источника питания. Кроме перечисленных параметров и характеристик для усилителей часто необходимо знать стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам, коэффициент шума и т.п. Параметры и характеристики зависят от числа каскадов усилителя, типа активного элемента и способа его включения в усилительный каскад. 1.2. Графический анализ усилительного каскада Наиболее широкое распространение среди вариантов усилительных каскадов на биполярных транзисторах имеет схема включения ОЭ. Основой усилительного каскада ОЭ (рис. 5, 8 слайд 6) являются два элемента: n-p-n транзистор и нагрузочный резистор Rк. В качестве разделительных элементов в схеме усилителя используются конденсаторы C1 и C2. В этом случае источник входного сигналаEг и резистор нагрузкиRн подключены к входу и выходу каскада посредством ёмкостной связи. Ёмкостные элементы не пропускают постоянную составляющую сигнала и пропускают переменную составляющую. Режим работы транзистора в такой схеме определяется постоянным напряжением U бэ . При наличии разделительных конденсаторов это напряжение определяется только величинами Rб . Ek Если разделительные конденсаторы исключить из схемы, то постоянная составляющая входного сигнала будет менять режим работы транзистора. Получится, что параметры входного сигнала будут определять характеристики усилителя, а это превратит усилитель в нелинейное устройство, что входит в противоречие с определением усилителя. +Ек Rб Rк Iк C2 Rг C1 Eг Рис. 5. Усилительный каскад ОЭ Rн 9 Рассмотрим режим работы транзисторного усилителя по постоянному току. На выходной ВАХ транзистора (рис. 6, слайд 7) необходимо провести линию нагрузки по постоянному току (нагрузочную прямую)- линия 1-2. Эта линия может быть построена по следующей формуле: Uкэ= Ек– IкRк, которая определяет зависимость тока в цепи коллектора Iк от напряжения Uкэ при заданном неизменном напряжении источника питания Eк. По сути, приведённая формула является записью второго правила Кирхгофа для выходного контура каскада в режиме холостого хода (не учитывается сопротивление нагрузки Rн, включённое через разделительный конденсатор С2). Нагрузочную прямую удобно строить по двум точкам. При Uкэ = 0 получим ток коллектора, равный Iк = Ек / Rк, а при Iк = 0 получим Uкэ = Eк. Очевидно, что наклон линии нагрузки определяется сопротивлением резистора Rк, который обеспечивает внутреннее ограничение выходного тока транзистора и называется нагрузочным резистором. Следует отметить, что нагрузочный резистор Rк подключается параллельно резистору внешней нагрузки схемы Rн. 10 Iк Eк/Rк Rкн Rк А Iб2 iб Iб0 Iк0 t Iб1 Ек Uкэ Uкэ0 uвых t Рис. 6. Выходные ВАХ в схеме ОЭ Точки пересечения нагрузочной прямой с выходными ВАХ определяют режим работы транзистора (выходные ток Iк и напряжение Uкэ) при соответствующих значениях входного тока Iб. Рассмотрим работу схемы. Пусть Uвх = 0, то есть отсутствует входной переменный сигнал. В усилителе этот режим называется режимом покоя усилителя или режимом по постоянному току, т. к. в схеме протекает только постоянный ток от источника питания Ек также называемый током покоя. Через резистор Rб протекает постоянный базовый ток транзистора, равный примерно 11 I б0 Eк . Rб Этот ток задает положение рабочей точки усилителя в режиме покоя. Индекс ”0” на рис. 6 соответствует токам и напряжению в режиме покоя. Точка A — рабочая точка на выходной ВАХ, которая определяется координатами Iб0, Iк0 и Uкэ0. Рабочую точку А можно аналогично отметить на входных ВАХ на рис. 7 (слайд 8). Рабочая точка на входной ВАХ определяется координатами Iб0 и Uбэ0. Iб iб Iб2 A Iб0 t Iб1 Uбэ Uбэ0 uвх t Рис. 7. Входная ВАХ в схеме ОЭ Пересечение линии нагрузки с выходной характеристикой, соответствующей Iб0, определяет точку покоя на выход- 12 ных ВАХ, т.е. значения Iк0 и Uкэ0. Напомним, что Iк0 = βIб0, где β — коэффициент передачи тока базы. Для большинства усилителей напряжение на коллекторе в режиме покоя выбирают равным половине напряжения питания U кэ0 I к0 Rк Ек . 2 Пусть от внешнего источника Ег (рис. 5) подаётся переменный входной сигнал. В этом случае в уравнении нагрузочной прямой необходимо учитывать сопротивление нагрузки каскада Rн, которое, как уже отмечалось, подключается параллельно Rкн Rк по переменному Rк Rн , то Rкн<Rк Rк Rн напряжению. Поскольку и линия нагрузки по переменному току (линия Rкн на рис. 46) идет круче линии нагрузки по постоянному току, но также проходит через точку покоя А. В нашем случае, в схеме ОЭ, при подаче на вход положительной полуволны входного переменного сигнала будет увеличиваться входной ток базы и, следовательно, ток коллектора. Это приведёт к росту падения напряжения на резисторе Rк, что при неизменном значении напряжения источника питания Eк будет способствовать уменьшению напряжения на выходе транзистора Uкэ. Т.е. произойдёт формирование отрицательной полуволны выходного напряжения uвых. Таким образом, каскад ОЭ инвертирует входной сигнал, т. е. осуществляет сдвиг фазы между uвх и uвых на 180◦. Кроме того, поскольку входной и выходной токи связаны известным соотношением Iк = βIб и учитывая, что коэффициент β >> 1, KI >> 1. то коэффициент усиления по току в схеме 13 Таким образом, схема ОЭ обеспечивает усиление по то- I U ку, равное K I к , и по напряжению K u вых 1 и, следоIб U вх вательно, по мощности K р K I Ku 1 . Переменный входной сигнал прикладывается в выбранной рабочей точке А в режиме покоя, что приводит к изменению тока базы от величины Iб2 до Iб1 (рис. 7) по гармоническому закону. На выходной ВАХ (рис. 6) изменения выходных тока и напряжения осуществляются также по гармоническому закону в диапазоне, который определяется при пересечении нагрузочной прямой с характеристиками соответствующими Iб1 и Iб2. По сути рабочая точка A определяет некий центр ВАХ относительно которого будет изменяться напряжение на коллекторе транзистора. Положение рабочей точки определяется напряжением U бэ , которое в свою очередь определяется значением резистора Rб . Получается, изменяя значение этого резистора, мы сможем перемещать рабочую точку выше или ниже вдоль ВАХ. Мы можем расположить рабочую точку по центру линейной части ВАХ, а можем сместить в нелинейную область. От этого существенно будут зависеть характеристики усилителя и режим работы транзистора по постоянному току. 1.3. Классы усиления усилителей В зависимости от расположения на ВАХ транзистора рабочей точки в режиме покоя различают несколько классов усиления: класс A, класс B, класс AB, класс С и класс D. 14 Для сравнительной характеристики классов усиления вводится понятие угла отсечки. Углом отсечки φ называется угол, соответствующий половине времени за период входного гармонического колебания, в течение которого транзистор открыт, т.е. когда через него протекает ток. Например, в классеА транзистор всегда открыт, поэтому φА = 180о. В классе В транзистор открыт только в течение половины периода входного сигнала, поэтому φВ = 90о. В промежуточном режиме АВ φАВ достигает величин 120 130 , а в классе С угол отсечки φС < 90о. Таким образом, активный элемент (транзистор) в усилителях может работать как с отсечкой тока в режиме покоя (классы В, АВ, С и D), так и без отсечки тока (класс А). Перечисленные классы усиления отличаются положением рабочей точки в режиме покоя и имеют свои преимущества и недостатки. 1.3.1.КлассА В этом случае выбор рабочей точки осуществляется таким образом, чтобы она располагалась посередине линейного участка ВАХ или передаточной характеристики, а входной сигнал полностью помещался на этом линейном участке. Проведенный выше графический анализ усилительного каскада соответствует работе каскада в режиме классе А. 15 Iвых iвых А t Uвх uвх t Рис. 48. Работа усилителя в классе А На рис. 8 (слайд 9) представлен графический анализ работы усилителя в классе А. Как уже отмечалось, рабочая точка А располагается в середине линейного участка ВАХ, а амплитудные значения сигналов не выходят за его пределы. В этом случае, изменения входного сигнала приводят к пропорциональным изменениям выходного тока. При выходе входного сигнала за пределы линейного участка форма выходного сигнала искажается и на выходе наблюдается сигнал с ограничением по амплитуде. Очевидно, что при соответствующем подборе амплитуды входного сигнала нелинейные искажения при работе в классеА будут минимальны, поскольку обе полуволны входного сигнала укладываются в пределах линейного участка ВАХ. В этом состоит основное преимущество работы усилителя в классе А. К недостаткам класса А следует отнести низкий КПД усилителя, что обусловлено постоянным протеканием тока 16 через схему. Относительно большой ток постоянно протекает в режиме покоя, т. е. при отсутствии входного сигнала. Поэтому усилители класса А применяются в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения сигнала, а величина КПД не играет существенной роли. Обычно значение коэффициента гармоник КГ усилителя в классе А не превышает 0,01. 1.3.2.Класс В В этом классе рабочая точка А в режиме покоя располагается на границе линейного участка передаточной характеристики, там, где транзистор заперт (рис. 9, слайд 10). Понятно, что в этом случае усиливаются только полуволны входного гармонического сигнала, поэтому выходной ток оказывается несинусоидальным, даже без захода усилителя в режим ограничения тока. Iвых iвых А t Uвх uвх t Рис. 9. Работа усилителя класса В 17 Для уменьшения искажений формы сигнала в усилителях класса В используются так называемые двухтактные схемы, состоящие из двух усилителей на комплементарных транзисторах n-p-n и p-n-p типа (рис. 10, слайд 11). В режиме покоя оба транзистора заперты. Во время положительной полуволны входного сигнала открыт верхний np-n транзистор, а во время отрицательной полуволны — нижний p-n-p транзистор. При этом прекращение тока от источника питания в нагрузку через один транзистор компенсируется появлением тока через другой транзистор. Таким образом, формируется двуполярный выходной сигнал при подаче гармонического сигнала на вход усилителя. Недостатком двухтактной схемы усилителя является возможность появления искажений типа «ступеньки», показанных на рис. 11 отрезками жирных линий. «Ступеньки» обусловлены различием в длительностях полуволн выходного тока и входного сигнала, т. к. в схеме рис. 10 напряжение смещения между базой и эмиттером транзистора равно нулю, в отличие от ненулевого смещения, показанного на рис. 9. +Ек Rн Ег –Ек Рис. 10. Двухтактный усилитель на комплементарной паре транзисторов 18 uвых t Рис. 11. Искажения типа «ступеньки» в двухтактном усилителе +Ек R1 Ег Rн R2 –Ек Рис. 52. Схема усилителя со сдвигом уровня входного сигнала Если на рис. 9 график входного сигнала сместить влево, совместив начала координат этого графика и ВАХ, то легко заметить, что длительность импульса тока будет меньше длительности полуволны входного сигнала. В этом случае, при сложении импульсов тока на нагрузке они будут отделены друг от друга небольшими горизонтальными участками (ступеньками). Для устранения указанного недостатка может быть использована схема сдвига уровня входного сиг- 19 нала (рис. 12, слайд 13), что обеспечивается за счёт подключения дополнительных смещающих диодов на входах транзисторов. Таким образом, основным недостатком усилителей класса В является высокий уровень нелинейных искажений выходного сигнала. Значение коэффициента гармоник примерно равно 0,1. Указанный недостаток компенсируется увеличенным КПД усилителей класса В, поскольку в режиме покоя транзисторы заперты и не потребляют энергию от источника питания. 1.3.3. Класс АВ Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами классов А и В. В режиме покоя транзистор немного приоткрыт, т.е. рабочая точка располагается в самом начале линейной области характеристик (рис. 13, 14). Iвых iвых А t Uвх uвх t Рис. 13. Работа усилителя в классе АВ слайд 20 Можно сказать, что класс АВ является классом А при малых амплитудах входного сигнал и классом В при больших амплитудах входного сигнала. Поскольку ток, протекающий через усилитель в режиме покоя мал, то КПД здесь значительно выше, чем в классеА, но ниже, чем в классе В, при работе в котором ток через усилитель практически не протекает в режиме покоя. Нелинейные искажения сигнала в классе АВ относительно невелики, по крайней мере, меньше, чем в классе В. Следует отметить, что класс АВ широко используется в двухтактных схемах. В этом случае значения коэффициента гармоник не превышают 0,05. В современной литературе нет единого мнения о классификации двухтактных транзисторных каскадов. Т.е. сложно провести границу между классами В и АВ. Оба класса в итоге имеют начальное смещение больше нуля. Наиболее распространенная точка зрения: полноценный режим AB начинается при существенно бо́ льших токах покоя (и сопровождается меньшим уровнем переходных искажений) чем в классе В. 1.3.4.Класс С В классе С в режиме покоя обеспечивается смещение, соответствующее запертому состоянию транзистора. Поскольку транзистор надёжно заперт, потребление мощности снижается, что определяет высокий КПД усилителя; класс С более экономичен, чем В. Из-за высоких нелинейных искажений усилители в режиме С, даже двухтактные, непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока). В резонансных усилителях радио- 21 передатчиков они, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД. 1.3.5.Класс D Этот класс определяет ключевой режим работы транзистора, при котором транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Работа осуществляется при воздействии на вход прямоугольных импульсов с большой амплитудой и характеризуется незначительными потерями мощности, т.е. высоким КПД. Этот режим работы будет подробно рассмотрен позже. 1.3.6. Классы G, H, E, F Усилители классов G и H представляют собой, по сути, класс AB, в которых присутствуют дополнительные источники напряжения, подключающиеся в процессе к выходному каскаду (в Н-классе – один, в G-классе – два и более). Напряжение питания выходного каскада в таких устройствах изменяется в зависимости от уровня сигнала, что повышает КПД устройства. Класс Н идеально подходит для компактных усилителей высокой мощности, которые применяют в профессиональных акустических системах. Еще более высоким КПД могут похвастать усилители классов E и F, в которых транзистор переключается в тот момент, когда через него не проходит ток. При этом наблюдаются очень большие искажения, поэтому такие устройства не используют для усиления звука. Классификация А, В, АВ, С сложилась еще во времена ламповой схемотехники. Дальнейшее ее развитие привнесли транзисторы и цифровые технологии обработки сигналов. 22 Строго говоря, единого международного реестра классов усиления не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква может обозначать принципиально разные устройства. Схемы, известные в Европе и Японии как класс G, в США относятся к классу H, и наоборот. В 1998 одна из западных компаний создала модификацию усилителя класса D с высокими характеристиками и назвала его «класс Т». За «классом T» последовали «класс J», «класс TD», «класс Z» и радиочастотный «класс M». Но по общему мнению обозревателей технических журналов: «сочинение новых „классов усилителей“ — не более чем маркетинговая уловка, которая имеет целью раскрутку коммерческого продукта и к классической схемотехнике не имеет отношения. В русской технической литературе можно встретить два понятия: режим усиления и класс усилителей. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада, понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).
