Тема: Исследование бестрансформаторного усилителя мощности

Цель работы:

Исследование основных параметров и характеристик двухтактных усилителей мощности.

Теоретические сведения

Усилителями мощности называют выходные (оконечные) усилительные каскады, предназначенные для передачи потребителю указанной или максимально возможной мощности при заданных сопротивлениях нагрузки R_н, высоком к.п.д. и допустимых уровнях частотных и нелинейных искажений.

Выходные каскады, как правило, работают в режиме усиления больших сигналов и их важнейшими показателями являются:

- отдаваемая в нагрузку мощность;

- к.п.д.;

- уровень нелинейных искажений.

Уровень нелинейных искажений и к.п.д. усилителя существенно зависят от начального положения рабочей точки, поэтому необходимо строго соблюдать режим работы усилителя по постоянному току. Уровень нелинейных искажений оценивается коэффициентом гармоник К_г.

Выходные каскады проектируют в одно- и двухтактном исполнении. Однотактные каскады обычно работают в режиме класса А, двухтактные - в режиме класса В или АВ.

На практике наибольшее распространение получили двухтактные бестрансформаторные усилительные каскады, работающие в режиме класса В. Их достоинством является высокий к.п.д. и возможность получения большого коэффициента усиления по мощности. Существенное уменьшение нелинейных искажений в этих усилителях обеспечивается путем исключения начального участка входной характеристики, поэтому усилитель работает в режиме класса АВ, близкого к классу В.

В этих усилителях используют сочетание в одном каскаде либо однотипных, либо разнотипных транзисторов p-n-pи n-p-n типов, включенных по схеме с ОК. ?

Каскады, в которых использованы транзисторы p-n-pи n-p-n типов, носят название каскадов с дополнительной симметрией.

Одна из возможных схем усилительного каскада с дополнительной симметрией показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Схема усилительного каскада с дополнительной симметрией

Как видно из рисунка, такие выходные каскады имеют последовательное питание и параллельное включение нагрузки. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении R_н практически отсутствует, поскольку небольшие начальные токи, протекавшие через транзисторы VТI и VТ2, в нем взаимно вычитаются. Эти токи обусловлены смещением, созданным падением напряжения на R2, определяемым по формуле (3.1):

U_R2 = I_дел*R2, (3.1)

где I_дел – ток делителя, который можно рассчитать по формуле (3.2)

I_дел = 2*U_п/(R1 + R2 + R3), (3.2)

где R1, R2, R3 – сопротивления нагрузки, Ом.

Если транзисторы VТI и VТ2 идентичны по параметрам, то потенциалы баз транзисторов относительно эмиттеров, равны (–U_R2/2) и (+U_R2/2). В этом случае через транзисторы протекает одинаковый ток, а в сопротивлении нагрузки ток отсутствует. При этом ток делителя напряжений выбирают от 5 до 10 раз больше начальных базовых токов транзисторов. Это обеспечивает малое изменение потенциалов баз при температурных изменениях их токов.

Поскольку R2 мало, можно считать, что базы транзисторов по переменному току непосредственно соединены между собой. Вместо резистора R2 может быть включен диод VD3 или несколько последовательно соединенных диодов, которые обеспечивают требуемое падение напряжение между базами транзисторов при заданном токе делителя и в тоже время имеют малое дифференциальное сопротивление. Замена R2 диодами повышает температурную стабильность усилителя.

При подаче входного переменного усиливаемого сигнала один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый

транзистор работает, как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК, т.е. как обычный эмиттерный повторитель (ЭП). Во время другого полупериода входного сигнала открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

Выходное сопротивление ЭП мало, что облегчает согласование усилителя с низкоомной нагрузкой и к.п.д. схемы может быть достаточно большим. Поскольку выходное напряжение схемы с ОК почти равно входному, усиление мощности в таком усилителе достигается за счет усиления тока.

Для получения одинакового входного сопротивления в разные полупериоды и одинакового усиления по мощности транзисторы усилителя рекомендуется подбирать с идентичными параметрами.

Подготовка к работе

3.2.1 Изучить принцип работы схем двухтактных усилителей

мощности на БТ.

3.2.2 Изучить порядок расчета схем двухтактных усилителей*.

3.2.3 Нарисовать схемы исследуемых двухтактных усилителей

мощности.

3.2.4 Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

План работы

3.3.1. Собрать схемы двух источников питания и схему генератора синусоидальных колебаний по рисунку 3.2.

Рисунок 3.2 – Схема генератора синусоидальных колебаний

3.3.2. Собрать схему двухтактного усилителя, представленную на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Бестрансформаторный двухтактный усилитель без элементов исключения начального участка входной характеристики.

3.3.3. Замерить с помощью амперметра А1 ток через нагрузку при отсутствии входного сигнала. Пояснить полученное значение.

3.3.4. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой f=1кГц и амплитудой не более 3В. Снять и зарисовать осциллограммы входного напряжения и напряжения на нагрузке. Пояснить наличие в выходном напряжении переходных искажений.

3.3.5. Определить с помощью осциллографа на частоте f = 1кГЦ значение U_вх.max, при котором в выходном сигнале появляются заметные нелинейные искажения. Зарисовать осциллограммы напряжений.

3.3.6. Снять и построить амплитудную характеристику U_вых = f (U_вх)

при изменении U_вx от нуля до U_вх.max, при котором появляются в выходном сигнале визуально заметные на экране осциллографа нелинейные искажения.

3.3.7 Результаты занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Результаты измерений для построения амплитудной характеристики

Uвх.m, мВ
Uвых.m, В

3.3.8 Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя при входном напряжении U_вx= IB., изменяя частоту входного сигнала от 0 до 100 кГц (рекомендуемые частоты, Гц: 20 ; 50; 200; 500; 1000; 5000; 10000; 15*10³; 20*10³; 25*10³; 50*10³; 75*10³; 90*10³; 100*10³), построить ее в логарифмическом масштабе K_u = f(lgF).

3.3.9 Результаты занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты измерений и вычислений при условии
U_вх.m = 1В-const, K_u = U_вых.m/ U_вх.m.

F, Гц							…	10*105
Uвхm, В
Uвыхm, В							…
Ku							…

3.3.10 Собрать схему двухтактного усилителя, представленную на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Бестрансформаторный двухтактный усилитель с элементами исключения начального участка входной характеристики

3.3.11 Для исследования данной схемы усилителя выполнить указания пунктов 3.3.3. – 3.3.8.

3.4 Контрольные вопросы

3.4.1 Объясните положение рабочей точки транзистора усилителя мощности, работающего в режимах класса А, АВ, В.

3.4.2. Сравните каскады усилителей мощности классов А, АВ, В по экономичности и уровню нелинейных искажений.

3.4.3. Объясните причины нелинейных искажений в каскадах усиления мощности на БТ.

3.4.4. Опишите принцип работы исследуемых схем.

3.4.5. Объясните назначение элементов исследуемых схем.

3.4.8. Как задается начальный режим работы усилителя, приведенного на рисунке 3.2.

Лабораторная работа №9