Однотактные и двухтактные усилители мощности

В двухтактном положительная полуволна усиливается одним транзистором, отрицательная – другим; в однотактном и положительная и отрицательная полуволны усиливаются одним транзистором.

Однотактный усилитель малой мощности:

Режим работы по постоянному току выбирается таким образом, чтобы φ точки А при отсутствии входного сигнала был равен 0, для исключения протекания постоянного тока через динамик.

 

Двухтактный усилитель мощности:

Когда положительная полуволна на входе достигает напряжения для отпирания VT1 (0,6 В), последний открывается, ток от источника питания через транзистор протекает в нагрузку, выделяя на ней напряжение практически идентичное входному, VT2 при этом заперт.

При отрицательной полуволне отпирается VT2, VT1 закрыт отрицательным потенциалом.

При входном напряжении < 0,6В оба транзистора закрыты.

Диоды находятся вблизи транзисторов и имеют с ними непосредственный тепловой контакт.

 

При использовании переменных резисторов, можно устанавливать положение рабочей точки исходя из требуемой экономичности и величины нелинейных искажений.

 

Каскад на VT1 – источник тока (с целью увеличения К_U).

 

Каскад на VT2 обеспечивает положение рабочей точки. VT2 открывается и закрывается таким образом, чтобы его напряжение база-эмиттер было ≈0,6В. В нижнем положении движка потенциометра (переменного резистора) (R₂=0) U_кэ2=0,6В, в верхнем положении (R₂=5,1 кОм) U_кэ2=3,6В.

VT2 располагается вблизи транзисторов VT7 или VT5.

 

Изменяя положение движка R₂, меняем положение рабочей точки и устанавливаем ток покоя УМ.

 

R_вх≈ R_вх.тр.∙h₂₁;

R_вых≈ ;

 

Схема Дарлингтона (верхнее положение движка R₂):

h₂₁≥ h₂₁₍₄₎∙ h₂₁₍₅₎;

U_{бэ экв}≈1,2В(U_бэ4+ U_бэ5);

U_{к экв} >0,7В(U_кэ4+ U_бэ5).

Схема Шиклаи: позволяет применять одинаковые транзисторы в выходном каскаде,

h_21э≥ h₂₁₍₆₎∙ h₂₁₍₇₎;

U_{бэ экв}≈0,6В(U_бэ6);

U_{к экв} >0,7В(U_кэ6+ U_бэ7).

VD3 предназначен для симметрирования усилителей положительной и отрицательной полуволн по входному напряжению. Он должен быть мощным и высокочастотным.

Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ.

 

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменные напряжения требуемой формы. Генератор можно получить из усилителя, охватив его положительной ОС. Автогенераторами называют генераторами с независимым возбуждением.

Усиление – это процесс преобразования энергии источника питания по закону входного сигнала, а генераторы осуществляют преобразование энергии источника питания в переменное напряжение требуемой частоты.

Для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

1. баланс фаз – фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем и звеном ПОС должны быть кратны .
   
2. баланс амплитуд – произведение коэффициента усиления и коэффициента ОС , т.е. усилитель должен компенсировать все потери с цепи ОС.

Кроме того, для получения сигнала неискаженной формы необходимо, чтобы . Если происходит затухание колебаний, если , то возникает прогрессирующее нарастание амплитуды сигнала на входе и выходе до ее ограничения, обусловленного напряжением источников питания и форма сигнала отлична от синусоидальной.

Равенство соответствует установившемуся режиму и возможно только при некотором соотношении коэф. ООС и ПОС.

 

Генератор синусоидальных колебаний на ОУ (LC-генератор)

Баланс фаз означает, что колебания в замкнутой системе могут возобновляться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы ОС и фаза входного напряжения совпадают. Баланс амплитуд означает, что для возбуждения генератора усилителю необходимо компенсировать потери в схеме ОС.

Регулируя , добиваемся равенства ПОС и ООС, что выражается в наличии на выходе незатухающих и неискаженных гармонических колебаний.

Недостаток: большие масса и объем, для частот ниже нескольких кГц.

Для получения колебаний низкой частоты (менее 1 кГц) приходится использовать большие значения L и C, что увеличивает габариты и массу устройства. Для этого используют LC-генератор с мостом Вина.

Мост Вина не осуществляет сдвига фаз на резонансной частоте. Для возникновения незатухающий колебаний необходимо выполнение следующих условий:

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается R3 (термистор) или увеличивается R4 (позистор).

Стабильность такого генератора , а если необходима более высокая стабильность , используется кварцевый генератор.

 

Условие баланса амплитуд:

 

RC-генераторы.

Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют RC -генераторы.

Представленная RС-цепь не осуществляет сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, т.е. . Эта схема включается между выходом усилителя и неинвертирующим входом ОУ. Элементу и предназначены для получения требуемого коэффициента усиления. В схеме возникают автоколебания при соотношении , частота которых определяется формулой Если и , то частоту автоколебаний определяют из соотношения , причем должно быть выполнено условие .

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление или увеличивается . Поэтому вместо включается миниатюрный полупроводниковый терморезистор или вместо - металлический терморезистор.

Другое представление схемы:

 

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы (выполняются на основе триггера Шмита). Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R₂C×ln(1+ ), при R₃=R₄ t_и=t_п=R₂C×ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q= . Изменяя t=R₂C и величины R₃, R₄, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Предположим, что на выходе напряжение +12В, а на неинвертирующем входе +2В. Конденсатор заряжается через до +2В. Так как напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем входе, происходит переброс триггера Шмита, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение (-12В), на неинвертирующем входе -2В. Конденсатор перезаряжается через до -2В и т.д.

 

Мультивибраторы, у которых длительность импульсов и пауз не равны (t_и≠t_n), называются несимметричными.

Т_п=(t_и+t_п).

Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ). Полосовой и режекторный (заградительный), LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор

 

По выполняемым функциям фильтры делятся на:

- ФВЧ (фильтры высоких частот)

- ФНЧ (фильтры низких частот)

- ПФ (полосовые фильтры)

- РФ (режекторные фильтры)

Фильтры низких частот (ФНЧ) пропускают на выход все частоты, начиная от нулевой (постоянный ток) и до некоторой заданной частоты среза , и ослабляют все частоты, превышающие . Диапазон частот от 0 до называется полосой пропускания, а диапазон частот, превышающих - полосой подавления. Частота среза – это та частота, при которой напряжение на выходе фильтра падает до уровня 0,707 от напряжения в полосе пропускания (т.е. падает на 3 дБ), - частота, при которой выходное напряжение на 3 дБ выше, чем выходное напряжение в полосе подавления.

 

Полосовой фильтр пропускает все частоты в полосе между нижней частотой среза и верхней . Все частоты ниже и выше ослабляются. Диапазоны частот от до и от до являются переходными участками.

 

 

 

 

Фильтры высоких частот (ФВЧ) ослабляют все частоты, начиная от нулевой и до частоты , и пропускают все частоты, начиная от и до верхнего частотного предела схемы.

Режекторный полосовой фильтр (заграждения) ослабляет вес частоты между и и пропускает все остальные частоты.

 

Пассивные фильтры построены из катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов. Используемые в пассивных фильтрах катушки индуктивности обладают активным сопротивлением, межвитковой емкостью и потерями в сердечнике, что делает их свойства далекими от идеальных.

Достоинства пассивных фильтров:

1. не нуждаются в источниках питания

2. могут быть очень высокочастотными

Недостаток: влияние цепей друг на друга.

 

Активные фильтры содержат в своей конструкции усилитель.

Достоинства активных фильтров:

• в них используются только R и C, свойства которых ближе к идеальным, чем у L;
• относительно дешевы;
• могут обеспечивать усиление в полосе пропускания;
• обеспечивают развязку входа от выхода (высокое входное и низкое выходное сопротивление), следовательно, легко сделать многокаскадными;
• легко настраиваются;
• фильтры для очень низких частот могут быть построены из компонентов с умеренными значениями параметров;
• невелики по размерам и массе.

 

Недостатки:

· нуждаются в источнике питания;

· рабочий диапазон частот ограничен максимальной рабочей частотой ОУ и не превышает несколько МГц.

 

Фильтры характеризуются порядком или количеством полюсов. Каждый полюс дает ослабление ~ 6 дБ/окт или 20 дБ/дек (в зависимости от типа частотной характеристики фильтра может быть > или < 6 дБ/окт).