Разработка усилителя низкой частоты

1.  Обзор усилителей.

Большинство усилителей состоит из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление и обычно называемых каскадами. Число устанавливаемых каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления и от единичных (собственных) коэффициентов усиления дискретных элементов, составляющих каскад.

Каскадную схему усилителя можно представить в виде функционально отличных каскадов усиления: предварительного усиления, промежуточного усиления и выходного усилителя (мощности).

Предварительный усилитель обеспечивает непосредственную связь источника сигнала и усилительного устройства. Поэтому важнейшее требование, которому он должен соответствовать, - минимальное ослабление входного сигнала. Для этого предварительный усилитель должен обладать большим входным сопротивлением, при условии, что это сопротивление должно быть, существенно, сопротивления источника сигнала. В этом случае изменения входного напряжения усилителя будут стремиться к изменению э.д.с. источника в его входной цепи. Основное требование, предъявляемое предварительному каскаду (усилителю), - обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при его минимальных искажениях. Предварительный усилитель как дискретный элемент также называют входным каскадом.

Промежуточный усилитель выполняет роль буферного каскада между предварительным и выходным усилителями. Основная его задача – согласование выхода входного каскада с входом выходного усилителя (мощности).

Выходной каскад предназначен для получения на выходе усилительного устройства, мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устройства, выполняющего определенные функции. Поэтому в отличие от предварительного и промежуточного каскадов, выходная мощность которых сравнительно не велика, основным параметром выходного каскада является КПД.

Применяемые на практике транзисторные усилители мощности классифицируются на одно- и двухтактные. Однотактные усилители мощности используют для работы с нагрузочными устройствами, мощность которых составляет единицы ватт. При больших значениях мощности нагрузочных устройств применяют двухтактные усилители.

Следует отметить, что наличие трех разнотипных функциональных каскадов – предварительного, промежуточного и выходного – не являются обязательным. Существуют усилители, в которых нет ярко выраженных разграничительных признаков для предварительного и промежуточного каскадов, они могут быть совмещены в одном каскаде. То же самое относится к промежуточному и выходному каскадам, которые также можно объединять.

Схемы усилительных каскадов могут быть выполнены в разнообразных вариантах. Они могут отличаться числом и режимом работы используемых усилительных элементов при усилении переменного сигнала. Возможно несколько принципиально различных режимов работы усилителя, называемых классами усиления:

а) класс А – ток в выходной цепи усилителя (транзистора) протекает в течении всего периода изменения напряжения входного сигнала; точка покоя находится в средней части нагрузочной характеристики; режим характеризуется низким КПД (не боле 0,5) и низким значением коэффициента нелинейных искажений kf;

б) класс В – ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, при этом точка покоя фактически находится в режиме отсечки транзистора в режиме; этот класс является предпочтительным для использования в усилителях средней и большой мощности; КПД каскада может достигать в этом классе значения 0,7 и более, однако он имеет очень высокий из всех классов коэффициент нелинейных искажений, за счет ступеньки на выходе каскада;

в) класс АВ – ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала; точка покоя находится ниже средней точки нагрузочной характеристики; класс получил широкое распространение, так как при высоком КПД он обеспечивает получение небольших нелинейных искажений выходного сигнала;

г) класс С – ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале, меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала; распространен в мощных резонансных усилителях, но параметрам близок к классу В;

д) класс D – режим, при котором транзистор каскада может находиться только в состоянии включено (режим насыщения) или выключено (режим отсечки); КПД такого усилителя близок к единице; наиболее распространен – в цифровых схемах, транзисторных ключах.

Выбор того и иного режима работы усилительного каскада  определяется исходя из требуемых значений коэффициента нелинейных искажений kf и КПД.

Основным направлением в разработке современных дискретных усилительных элементов является изучение их основных характеристик, таких как качество усиления, КПД, массогабаритные показатели и др. В интегральных исполнениях важнейшими показателями являются размеры элементов и их надежность. Типичные размеры логического транзисторного элемента современных процессоров 25-13 мкм. Особые перспективы в этом направлении молекулярная и атомная наносборка, то есть фактический предел в единицы нанометров.

2.  СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ

          Структурная схема усилителя строится на основании общих принципов построения УНЧ (усилителя низкой частоты). В соответствии с чем усилитель имеет входной каскад, несколько каскадов предварительного усиления и выходной каскад. Для обеспечения термостабилизации  режима покоя усилителя и требуемого коэффициента усиления, усилитель охвачен отрицательной обратной связью, при этом тип ООС зависит от схемы входного каскада.

          Структурная схема усилителя изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема усилителя.

где  ВхК – входной каскад;

КПУ – каскад предварительного усиления;

ВК – выходной каскад;

ООС – отрицательная обратная связь.

          Усилитель работает следующим образом. Входной сигнал поступает на вход входного каскада ВхК, усиливается по напряжению. С выхода входного каскада сигнал поступает на вход каскадов предварительного усиления КПУ. С выхода последнего предварительного каскада сигнал с амплитудой напряжения близкой к Uнmax поступает на вход выходного каскада ВК, усиливается п току и мощности и передается в нагрузку.

3.  РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛТЕЛЯ.

3.1Выбор режима работы и схемы выходного каскада.

Согласно техническому заданию коэффициент нелинейных искажений должен быть не более 0,12 %, а КПД не должен быть ниже 45%. Этим условиям соответствует режим работы выходного каскада в классе АВ с введением отрицательной обратной связи.

Так как мощность, которую необходимо передавать в нагрузку с выходного каскада не велика (мощность в нагрузке 50 Вт), выходной каскад согласно классу работы АВ должен быть построен по двухтактной схеме.

Принципиальная схема выходного каскада приведена на рисунке 2.

Выходной каскад собран на транзисторах VT6…VT11. Транзисторы VT6 и VT10, а также VT7 и VT11 собраны, соответственно, по схеме составного транзистора. Данное схемное решение обусловлено техническим заданием, согласно которому КПД схемы должен быть не менее 45%. Без необходимого коэффициента передачи выходных транзисторов данное условие не выполняется. Соответствующие расчеты будут приведены ниже.