Выходные усилительные каскады

1. Выходные усилительные каскады

2.

Выходные
усилительные
каскады
часто
представляют
собой
усилители
мощности,
рассчитанные на подключение достаточно мощной
нагрузки.
Одно из основных требований, предъявляемых к
выходным каскадам, является повышенный КПД,
т.к. выходные каскады потребляют значительную
мощность от источника питания и низкий КПД
приведёт к нерациональному использованию
ресурсов источника.
По указанной выше причине в выходных каскадах
редко используют однотактные схемы усиления с
работой активных элементов в классе А.
Рассмотрим особенности различных классов
усиления:

3. Классы усиления

1.
Класс А – усилитель, активные элементы
которого работают без перехода в режим отсечки
или насыщения. То есть при отрицательных и
положительных полупериодах сигнала активные
элементы проводят электрический ток. В режиме
покоя (Uвх=0) через активные элементы также
протекает значительный ток покоя.
Достоинством
класса
А
является
низкий
коэффициент гармоник, т.к. активный элемент
всегда работает в одном режиме, близкий к
линейному.
Существенным недостатком класса А является
низкий КПД (ниже 50%) из-за наличия
значительного тока покоя.

4.

# Типичный однотактный усилитель класса А,
выполненный по схеме с общим эмиттером.
Выходная
нагрузка
подключена
в
коллекторную цепь биполярного транзистора.

5.

Работа усилителя в классе А
В режиме покоя через
транзистор протекает
значительный ток

6.

Работа усилителя в классе А
Выходное
напряжение
Входное
напряжение

7.

2.
Класс В – усилитель, активные элементы
которого находятся в активном режиме только в
течение половины периода входного сигнала.
Другую половину периода они находятся в режиме
отсечки. В режиме покоя активный элемент также
находится в режиме отсечки или близком к нему.
Такому усилителю для усиления переменных
сигналов необходимо как минимум два активных
элемента для усиления положительного и
отрицательного полупериода.
Такие усилители принято называть двухтактными.
Усилитель класса В почти не потребляет энергии в
режиме покоя, т.к. все активные элементы закрыты.

8.

Достоинством усилителей класса В является
высокий КПД (~75 %).
Основной
недостаток
–
высокий
коэффициент гармоник из-за перехода
транзисторов из режима отсечки в активный
режим. Это связано с тем, что начальный
участок ВАХ активных элементов нелинеен и
искажения («ступенька») возникают при
переходе сигнала через 0.
Усилители
класса B в гармонических
усилителях применяются редко, обычно
используют комбинацию классов А и В.

9.

Ступенька
Пример
двухтактного усилителя класса В.
Транзисторы работают без смещения,
каждый из них усиливает только свой
полупериод.
При работе без смещения появляется особый
вид искажений – «ступенька» (см. рис.)

10.

Работа усилителя в классе В
В режиме покоя ток в
транзисторах
отсутствует

11.

Работа усилителя в классе В
Искажения
типа
«ступенька» в
выходном
сигнале

12.

3. Класс
АВ – комбинация классов А и В, когда
активные элементы находятся в активном режиме
по времени чуть больше, чем один полупериод. То
есть при смене полярности сигнала первый
активный элемент переходит в режим отсечки уже
после того, как в работу включился второй. Это
достигается подачей небольшого напряжения
смещения на управляющие электроды активных
элементов.
Таким образом устраняется нелинейность активных
элементов на начальных участках ВАХ и искажения
типа «ступенька» уменьшаются.

13.

Достоинства
усилителей класса АВ –
пониженный коэффициент гармоник при
незначительном снижении КПД (~72 %).
Недостатки – ненулевое потребление тока в
режиме покоя, что обуславливает снижение
КПД.
Данный
класс широко применяется в
выходных каскадах аналоговых устройств.

14.

Пример
усилителя класса
АВ.
Схема смещения
на диодах также
характерна для
усилителей класса
АВ и двухтактных
схем.
* Наличие смещения транзисторов позволяет убрать искажения
типа «ступенька».

15.

Работа усилителя в классе АВ
Есть небольшой ток
через транзисторы в
режиме покоя

16.

Работа усилителя в классе АВ
Нет искажений
типа «ступенька»

17.

4. Класс С – активный элемент находится в
активном режиме в течение времени
меньшем, чем время одного полупериода
при этом допустимым является насыщение
транзистора.
Для реализации класса С необходимо подать
обратное
напряжение
смещения
на
транзисторы, чтобы они открывались только
при определенном входном напряжении
сигнала.

18.

Примеры усилителей класса С.

19.

Очевидно,
что такие усилители не способны
усиливать сигналы без искажений, вследствие этого
используются преимущественно в усилителях
мощности радиопередатчиков, где наличие
резонансных
цепей
позволяет
выделить
усиливаемые сигналы на нужных частотах.
Достоинства
класса С – отсутствует потребление
энергии в режиме покоя, что повышает КПД.
Недостатки
класса С – очень высокий
коэффициент гармоник, что не позволяет его
использовать для усиления широкополосных
(звуковых, видео) сигналов.

20.

Работа усилителя в классе C
Нет тока в
режиме
покоя

21.

Работа усилителя в классе C
Выходной
сигнал
(сильно
искажен)
Входной
сигнал

22.

5.
Класс D – активные элементы такого
усилителя работают в ключевом режиме
(отсечка-насыщение), а сигнал на выходе
усилителя
является
прямоугольным
широтно-импульсно
модулированным
(ШИМ) сигналом. За счет фильтра низких
частот
выходной
ШИМ
сигнал
преобразуется в близкий к переменному
сигналу обычной формы.
Вследствие работы в ключевом режиме
усилители
класса
D
обладают
максимальными значениями КПД.

23.

Блок-схема усилителя класса D.
*
компаратор – устройство сравнения
аналоговых сигналов с двоичным выходом.

24.

Достоинства усилителей класса D – повышенный
КПД (~ 90%).
Недостатки
усилителей класса D – первые
усилители класса D имели высокие нелинейные
искажения особенно на высоких частотах
вследствие использования аналоговой ШИМ, и их
позиционировали, как усилители для НЧ диапазона
(сабвуферные усилители). В настоящее время в
усилителях класса D используется цифровая ШИМ
и диапазон усиливаемых частот расширился до
звукового и радио.
Основным
недостатком современных усилителей
класса D можно назвать сложность устройства. По
этой причине усилители класса D изготавливают с
использованием специализированных микросхем.

25.

Схема
несложного
микросхеме MP7720.
усилителя
D-класса
на

26.

Промышленные
усилители
звуковой частоты класса D.
мощности

27. Однотактные каскады усиления

Однотактные
каскады усиления – такие
каскады в которых оба полупериода входного
сигнала (положительный и отрицательный)
усиливаются одним активным элементом
всегда работающим в активном режиме.
Особенность
однотактных каскадов –
значительное напряжение смещения на
активных элементах (транзисторах).
На однотактных каскадах обычно реализуют
усилители класса А, С или D.

28.

Классический однотактный каскад:

29.

Однотактный усилительный каскад класса А
(есть смещение на базе транзистора) с
трансформаторным выходом.
Трансформатор применяется для
согласования
сопротивлений
нагрузки
и
выходного
сопротивления усилителя, а
также
для
гальванической
развязки нагрузки.
Z1 Z 2 k 2
k
n1
n2
Формула согласования
сопротивлений

30.

Однотактный усилитель
с динамической нагрузкой.
* Показана динамическая нагрузка

31.

Однотактный усилитель с динамической
нагрузкой
Точка подачи
входного сигнала
* Особенность динамической нагрузки в том, что на нее не
подается напряжение сигнала.

32.

Однотактный каскад на полевом транзисторе
с динамической нагрузкой

33. Двухтактные каскады усиления

В
двухтактных каскадах усиление сигнала
производится двумя активными элементами:
первый элемент усиливает один полупериод,
второй элемент-второй полупериод.
В зависимости от наличия или отсутствия
напряжения смещения, а также от его
величины, двухтактный усилитель может
работать в классах В (без смещения), АВ (с
небольшим смещением) и А (с сильным
смещением).

34.

Двухтактная схема в классе А
Значительный
ток в режиме
покоя

35.

В
зависимости от способа включения
транзисторов в двухтактном каскаде можно
выделить
следующие
разновидности
двухтактных каскадов:
ОК, ОК
ОЭ, ОЭ
ОК, ОЭ

36.

Блок-схема двухтактного каскада типа
ОК-ОК.
Используются 2 транзистора
разной структуры (p-n-p и np-n)
Особенность
схемы
–
отсутствие усиления по
напряжению из-за схемы с
ОК.
Усиление по напряжению
должен выполнять
предыдущий каскад.

37.

Практическая схема двухтактного каскада
ОК-ОК:
Усилитель
напряжения ОЭ
Схема смещения
Выходной двухтактный
каскад VT2-VT3

38.

Блок-схема
двухтактного
каскада
типа
ОЭ-ОЭ
Используются 2 транзистора
разной структуры (p-n-p и
n-p-n)
Особенность
схемы
–
усиление по току и по
напряжению из-за схемы с
ОЭ.

39.

Практическая схема выходного каскада ОЭ-ОЭ
Цепь отрицательной
ОС
Предварительный
усилитель
напряжения на ОУ
Выходной каскад на
составных
транзисторах

40.

Блок-схема двухтактного каскада типа ОК-ОЭ.
Используются 2 транзистора
одинаковой структуры
(n-p-n)
Особенность
схемы
–
необходимость
подавать
инверсные сигналы на базы
транзисторов, т.к. они одной
структуры.
Для
этого
используют фазоинверсные
каскады.

41.

Для
получения фазоинверсных сигналов
можно использовать трансформатор со
средней
точкой
(парафазный
трансформатор)
или
специальные
фазоинверсные каскады на транзисторах.

42.

Практическая схема двухтактного усилителя
ОК-ОЭ
Предварительный
каскад
Фазоинверсный
каскад
Выходной
каскад

43. Мостовое включение усилителей

Для увеличения мощности выходных каскадов в 2
раза часто используют мостовую схему усиления,
когда используются 2 одинаковых усилителя на
которые сигнал подается в противофазе, а нагрузка
подключается между выходами усилителей.
Блок-схема мостового
включения усилителей

44.

Практическая схема мостового усилителя на
ОУ

45.

*
В профессиональных двухканальных
усилителях звуковой частоты имеется
специальный переключатель в мостовой
режим - «bridge».

46. Задание

Просмотрите схемы устройств из прошлых лекций.
Определите в схемах выходные каскады.
Определите по какой схеме работают данные
усилители (двухтактной или однотактной)?
Найти фазоинверсные каскады в рассмотренных
схемах.
Определить другие известные схемотехнические
элементы.

47.

48.

49.

50.

51.

52.

53.

54.

55.

56. Вопросы

1. Какие бывают классы усиления? Что собой представляет каждый
класс?
2. Какие особенности у каждого класса усиления? Где применяется
каждый класс?
3. Что такое однотактные усилительные каскады? Приведите пример
схемы однотактного усилительного каскада.
4. Какие классы усиления можно реализовать на однотактном каскаде?
5. Что такое двухтактные усилительные каскады? Приведите пример
схемы двухтактного каскада.
6.
Назовите
распространенные
разновидности
двухтактных
усилительных каскадов? Приведите примеры схем.
7. Какие классы усиления можно реализовать на двухтактном каскаде?
8. Что такое фазоинверсные каскады? Для чего они используются в
усилителях мощности? Приведите примеры схем фазоинверсных
каскадов.
9. Что такое мостовое включение усилителей? Приведите блок-схему
мостового включения.