Основные характеристики двухкаскадного УНЧ

Величины	Значения
теоретические	экспериментальные
Rвх, Ом
К2
К1н
К

Тема 4

Усилитель мощности с двухтактным бестрансформаторным

Выходным каскадом

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Рабочие точки транзисторов Т₁ и Т₂ в усилительных каскадах в лабораторных работах № 2 и 3 были выбраны на середине соответствующих нагрузочных прямых, т.к. U_кэр = Е / 2 = 4,5 В (точка А на рис. 8а). Такой режим работы транзисторов определяется как режим класса А, а соответствующие каскады можно назвать однотактными, т.к. в них транзисторы Т₁ и Т₂ одновременно усиливают и положительные, и отрицательные полупериоды сигнала. В однотактном усилителе мощности (рис. 13) трансформатор Тр согласует низкоомное сопротивление нагрузки R_н с высокоомной вы-ходной цепью транзистора. Де-литель из сопротивлений R_б1, R_б2 фиксирует по постоянному току потенциал базы транзистора, а резистор R_э определяет разность потенциалов перехода эмиттер - коллектор. Таким образом, в данной схеме (рис. 13) делитель из R_б1, R_б2 и R_э определяет рабочую точку транзистора.

Кроме того, на резисторе R_э создается напряжение отрицательной обратной связи по постоянному току (см. лаб. работу № 2). Для устранения нежелательной обратной связи по переменному току параллельно резистору R_э включается конденсатор С_э, имеющий сравнительно малое сопротивление для переменного тока. Ёмкость С_р , как обычно, разделяет по постоянному току источник входного сигнала и усилитель
(см. лаб. работу № 2).

Для создания большой выходной мощности необходима довольно большая амплитуда нагрузочного тока в цепи коллектора транзистора выходного каскада (Т₂ в лаб. работе № 2). Если рабочую точку
этого транзистора выбрать на середине нагрузочной прямой (что соответствует режиму класса А), то однотактный каскад даже в отсутствии входного сигнала сам потребляет достаточно большой ток и его
КПД в режиме усиления мощности обычно не превышает 50 %. Таким образом, режим класса А неэкономичен и поэтому однотактные схемы применяют для получения сравнительно небольших выходных мощностей.

Если выбрать рабочую точку в точке Б (рис. 8а), т.е. на границе области «отсечки» транзистора, то он будет работать в режиме класса В. В этом режиме однотранзисторный усилитель мощности будет усиливать только одну половину периода (отрицательную или положительную) в зависимости от полярности транзистора, в другую половину периода он будет практически закрыт. Таким образом, режим класса В обеспечивает экономичность работы усилителя, а значит и больший КПД (~70 %) в результате снижения в основном тепловых потерь энергии, например, в обмотках выходного трансформатора.

На практике каскады, работающие в классе В, применяют редко, т.к. они вносят значительные нелинейные искажения, связанные с
изменением спектра усиливаемого входного сигнала, поскольку
в этом режиме рабочая точка транзистора находится на нелинейной
части его входной характеристики (рис. 4). Поэтому обычно применяется режим класса АВ, в котором транзистор выводится из состояния
«отсечки», но рабочая точка все же близка к этой области (точка Р на рис. 8а).

Из-за экономии энергии выходные каскады, потребляющие основную мощность усилителя, выгодно конструировать по двухтактным схемам с двумя транзисторами, которые находятся в состоянии,
близком к «отсечке», и попеременно усиливают разные полупериоды сигнала. В двухтактных схемах можно использовать транзисторы
одной проводимости (например, р-n-р типа), обладающие максимально близкими параметрами и работающие в одинаковых режимах,
устанавливаемых делителем из сопротивлений R₁ и R₂
(рис. 14).

Для разделения входного синусоидального напряжения на положительные и отрицательные полупериоды в данной схеме (рис. 14) используется фазоинвертор - трансформатор Тр₁, имеющий отвод от средней точки вторичной обмотки.

	Рис. 14. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Для сложения усиленных полупериодов входного сигнала в единый синусоидальный выходной сигнал применяется второй выходной согласующий трансформатор Тр₂, к вторичной обмотке которого подключается обычно низкоомный громкоговоритель Гр, воспроизводящий весь усиленный сигнал. Недостатком трансформаторных двухтактных схем является наличие сложных намоточных устройств (трансформаторов), в которых возможны дополнительные искажения сигнала, например, вследствие потерь в их сердечниках.

В последнее время в радиоэлектронике отдаётся предпочтение бестрансформаторным усилителям низкой частоты, в которых применяют фазоинверторы и выходные каскады другого типа. Однако в двухтактных схемах можно обойтись вообще без инверторов, если использовать транзисторы разного типа, например, Т₃ - р-n-р, Т₄ - n-р-n (рис. 15). Нагрузкой транзистора T₂ в предыдущем усилительном каскаде, собранном по схеме ОЭ, служат резисторы R_к2 и . Совместно с участком эмиттер - коллектор этого транзистора они образуют делитель, с которого на базы транзисторов Т₃ и Т₄ выходного каскада вместе с усиливаемым входным сигналом подаются начальные напряжения смещения: на базу транзистора Т₃ - отрицательное, а на базу транзистора Т₄ - положительное (относительно их эмиттеров). Выбором добавочного резистора определяется напряжение смещения между базами транзисторов Т₃ и Т₄ , т.е. устанавливаются рабочие токи баз этих транзисторов. Для установления режима работы усилителя мощности класса АВ необходим рабочий ток коллектора транзисторов выходного каскада, находящийся в пределах 2-3 мА. Транзисторы Т₃ и Т₄ выходного каскада по постоянному току соединены между собой последовательно и делят напряжение источника Е = U_кэ3 + U_кэ4 = 9 В. В случае симметричного деления относительно точки соединения эмиттеров (рис. 15) на коллекторе транзистора Т₃ имеется потенциал - 4,5 В, а на коллекторе транзистора Т₄ + 4,5 В, что и необходимо для работы транзисторов разного типа.

	Рис. 15. Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности

Таким образом, вследствие симметрии в рабочих точках
этих транзисторов должны выполняться следующие условия:
Транзистор Т₃ (р-n-р типа) усиливает отрицательные, а транзистор Т₄
(n-р-n типа) - положительные полупериоды входного сигнала. Динамическая головка громкоговорителя включается через конденсатор С₃ в эмиттерные цепи обоих транзисторов и является их общей нагрузкой. Следовательно, оба транзистора включены по схеме с общим коллектором (см. лаб. работу № 2). В громкоговорителе происходит преобразование усиленных электрических колебаний низкой частоты в звуковые колебания.

Характеристики усилителя мощности

Одним из основных параметров усилителя мощности является его выходная мощность Р_вых , выделяемая в нагрузке, например, в громкоговорителе: Р_вых = / R_гр, где R_гр – сопротивление динамической головки громкоговорителя. Максимальная выходная мощность усилителя определяется предельной мощностью Р_м , рассеиваемой на транзисторах. Для транзисторов типа МП39-41 Р_м ~ 150 мВт.

В режиме максимальной выходной мощности при больших амплитудах входного сигнала рабочая точка полупроводникового прибора (транзистора, диода и др.) попадает в нелинейную часть его вольт-амперной характеристики. Поэтому в этом режиме становятся большими нелинейные искажения выходного сигнала. При нелинейных искажениях в спектре усиленного сигнала появляются дополнительные составляющие (гармоники), отсутствующие во входном сигнале, управляющем электронным прибором. Степень искажения выходного сигнала за счёт появления новых спектральных гармоник на выходе усилителя определяется коэффициентом нелинейных искажений, или коэффициентом гармоник. Он представляет собой отношение корня
из суммы квадратов амплитуд высших гармонических составляющих
на выходе усилителя к амплитуде первой гармоники выходного сигнала (предполагается, что частота последней равна частоте w входного
синусоидального сигнала): .
Значение коэффициента нелинейных искажений g зависит от
выбора рабочей точки транзистора. На практике применяется
понятие номинальной выходной мощности Р_ном , для которой
коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала не
превышает 3-5 %. Номинальной выходной мощности соответствует номинальное выходное напряжение , создаваемое нанагрузке.

П р и м е р: для создания Р_ном = 50 мВт = 0,05 Вт в динамической головке громкоговорителя с R_н = R_гр=10 Ω необходимо напряжение
U_ном = 0,71 В.

Чувствительность усилителя U_ч определяется напряжением, поданным на вход усилителя, при котором на его выходе создаётся номинальная мощность Р_ном. Теоретически величина чувствительности определяется из соотношения U_ч º U _{вх ном} = U_{вых ном} / К. Таким образом, при заданной выходной мощности чувствительность усилителя определяется его коэффициентомусиления К = К₁ · ... · К_n , завися-щим от числа n усилительных каскадов (3.1). На практике для получения коэффициента усиления порядка 200 требуется, как правило, трехкаскадный усилитель (n = 3). УНЧ усиливает электри-ческие колебания частот, расположенных в определённом интервале (20-20 000 Гц). Его коэффициент усиления К является практически постоянным в области частот f_н < f < f_в и уменьшается, если он выходит за ее пределы (см. рис. 16).

Значение нижней граничной частоты f_н определяется разделительными ёмкостями С₁ и С₂ в первых двух каскадах усилителя (2.7). Уменьшение коэффициента усиления К (“завал”) на высоких частотах (f > f_в) обусловлено межэлектродными ёмкостями всех транзисторов
С_кб , С_бэ и С_эк , а также паразитной ёмкостью монтажа С_м. Зависимость К(f) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а граничные частоты f_н и f_в определяют частотный диапазон (полосу пропускания) Df усилителя (рис. 16).

Таким образом, линейные искажения УНЧ, связанные с неравномерностью усиления разных частот (или гармоник) входного
сигнала, обусловлены наличием реактивных элементов (для данного усилителя, в частности ёмкостей), проявляющих свои свойства, в особенности за пределами полосы пропускания (при f < f_н и f > f_в соответственно).

2. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

1.­Возьмите транзисторы: Т₃ р-n-р типа (МП39-МП42) и Т₄ n-p-n типа (МП35-МП38). С помощью ЭВМ определите параметры транзистора Т₃ в рабочей точке I_кр = 1,5 мА, U_кэр = 4,5 В.

2.­Рассчитайте величину сопротивления из соотношения:

3.­Рассчитайте коэффициенты усиления отдельных каскадов и коэффициент усиления К ^Т всего усилителя по формулам

= (b₁ / R_вх1) [(1 / R_вых1) + (1/ R_к1) + (1/ R_вх2)],

R_вх1 = R_бэ1, R_вых1 = R_кэ1;

= (b₂ / R_вх2) [(1/ R_вых2) + (1/ R_к2 + ) + (1/ R_вх3)],

R_вх2 = R_бэ2, R_вых2 = R_кэ2;

= 1 / [1 + (R_бэ3 / R_н (1 + b₃)],

R_вх3 = R_бэ3 + (1 + b₃) R_н , R_н = R_гр,

4. Оцените теоретическое значение номинального выходного
напряжения и чувствительности усилителя для
= 10 мВт и R_н = 9 Ом.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа № 4

П р и б о р ы и о б о р у д о в а н и е:см. лаб. работу № 2.

Вопросы при допуске к работе

1.­Укажите положение рабочей точки транзистора на его нагрузочной прямой в различных режимах работы каскада. Назовите достоинства и недостатки этих режимов.

2.­Объясните принцип работы однотактных (рис. 13) и двухтактных (рис.14) трансформаторных и бестрансформаторных (рис. 15) усилителей мощности.

3.­В каком режиме должен работать усилитель малой (большой) мощности? В каком режиме работает однотактный усилитель мощности (рис. 13)? Oтвет поясните.

4.­Для каких целей в усилителях мощности применяются трансформаторы (рис. 13 и 14)? Можно ли обойтись без них во входной (выходной) цепи?

5.­Каким образом в усилителе мощности (рис. 15) устанавливается режим класса АВ? Объясните, из каких соображений проводится расчёт добавочного сопротивления во втором усилительном каскаде.

6.­Объясните, почему, если ток I_к3 будет больше (меньше) указанного значения, необходимо соответственно увеличивать (уменьшать) сопротивление в схеме на рис. 15.

7.­Как можно добиться симметрии двухтактной работы выходного каскада (рис.15)?

8.­Почему в выходном каскаде УНЧ (рис. 15) оба транзистора (Т₃ и Т₄) включаются по схеме ОК?

9.­Почему понятие номинальной мощности имеет более практический смысл, чем максимальной?

10.­Как теоретически и экспериментально определить выходную номинальную мощность УНЧ?

11.­Определите номинальное выходное напряжение УНЧ, если Р_ном = 100 мВт.

12.­Как теоретически и экспериментально определить чувствительность усилителя? Чем ограничивается чувствительность УНЧ?

13.­Чем определяется число каскадов УНЧ?

Порядок выполнения работы

1.­Впаяйте сопротивление и проверьте на нём напряжение
U = 2U_бэр3. Сопротивлением R_б2 установите напряжение U_кэр2 =
= (4,5 0,5) В во втором каскаде. Впаяйте транзисторы Т₃ и Т₄. В цепь коллектора транзистора Т₃ включите миллиамперметр и проверьте ток I_к3 (1¸1,5 мА). Если величина тока I_к3 не будет находиться в указанных пределах, измените сопротивление или R_б2.

2.­Подключите нагрузку (громкоговоритель) и измерьте чувствительность усилителя на частоте f₀ = 1 кГц. Для этого подайте на его вход сигнал от ГНЧ, а к выходу усилителя подключите осциллограф. Входной сигнал должен быть такой амплитуды, чтобы на осциллографе был виден неискаженный синусоидальный выходной сигнал. С помощью милливольтметра измерьте напряжения на входе и выходе всех трёх каскадов. По этим значениям определите экспериментально коэффициенты усиления отдельных каскадов и общий коэффициент усиления, сравните их с теоретическими значениями (см. расчетную часть). Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу

Таблица 6