Министерство образования
Российской Федерации
Уфимский Государственный Нефтяной
Технический Университет
Кафедра геофизики
Курсовая работа
по
геофизике
на тему:
«Выходные каскады в режиме В»
Выполнил:
Проверил:
Уфа, 2001 г.
Содержание
Введение…………………………………………………………………..…3
1. Основныесоотношения…………………………………………………4
2. Каскад с трехэлектроднамилампами………………………………..…11
3. Каскад с экранированнымилампами…………………………………...13
4. Каскад странзисторами…………………………………………………14
Заключение…………………………………………………………………..16Литература…………………………………………………………………...17
Введение
В современной технике широко используется принципуправления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества ееуправлять энергией во много раз большей. Форма как управляемой, так иуправляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой,тепловой и т. д.
Частный случай управления энергией, при которомпроцесс управления является непрерывным, плавным и однозначным, называютусилением; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.
Очень широкое применение в современной технике имеютусилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляютсобой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрическихсигналов.
Управляющий источник электрической энергии, откоторого усиливаемые электрические колебания поступают на усилитель, называютисточником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся, –входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получаетэнергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, называютосновным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другиеисточники питания, энергия которых не преобразуется в усиливаемые колебания.Устройство, являющееся потребителем усиленных колебаний называют нагрузкойусилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключаетсянагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.
Усилители электрических сигналов, называемые вдальнейшем для сокращения усилителями, применяются во многих областяхсовременной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют врадиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации,телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений,где они являются основой построения всей аппаратуры.
Режим В из-за высокого кпд широко применяется вкаскадах мощного усиления.
1. Основныеположения
В каскаде, работающем в режиме В, плечи двухтактнойсхемы работают поочередно, каждое в течение полупериода сигнала, отключаясь отсхемы на вторую половину периода. Это является особенностью такого каскада иможет вызвать появление в схеме переходных процессов. Увеличивающих искаженияусиливаемых сигналов.
Для упрощения анализа трансформаторного каскада,работающего в режиме В, удобно привести его схему к одной половинке первичнойобмотки выходного трансформатора и считать, что на эту половинку работает одинусилительный элемент в течение всего периода сигнала. Все расчеты тогда можно будетпроизводить для половины периода сигнала по семейству характеристик одногоусилительного элемента, получая при этом данные, относящиеся ко всему каскадуза период.
При прямолинейных статических выходных характеристикахусилительного элемента, работающего в режиме В (рис. 1)
/>
Рис. 1. Анализ свойств каскада мощного усиления врежиме В:
а) статические характеристики и динамическая выходнаяхарактеристика;
б) зависимость тока iпотребляемого от источника питания, от времени;
в) зависимость тока в нагрузке iнот времени
исинусоидальном входом напряжении среднее значение тока, потребляемого каскадомот источника питания выходной цепи Iср, и амплитуду первой гармоники выходного тока I1м каскада, найдемудвоив значения первых двух членов ряда (1)
Iвых=0,318 I’макс + 0,5 I’макс coswt+ 0,212 I’максcos2wt–
– 0,0424 I’максcos4 wt+ 0,0182 I’максcos6wt– …=
= Iср+ I1мcos wt + I2мcos 2wt – I4мcos 4wt + I6мcos 6wt -… (1),
относящегосяк одному плечу двухтактной схемы:
/>. (2)
Потребляемая от источника питания выходной цепимощность Pи отдаваемая усилительными элементами мощность P~ за каждый изполупериодов, а следовательно, и за весь период будут равны:
/> (3)
гдеR~n –сопротивление нагрузки одного плеча схемы для переменного тока.
Отсюда кпд выходной цепи в режиме В
/> (4)
где/>– коэффициентиспользования напряжения источника питания выходной цепи.
Выделяемая на выходном электроде одногоусилительного элемента мощность определится как полуразность потребляемой иотдаваемой мощностей:
P=0,5(P– P~)=0,318I’максUo– 0,25I’2максR~n (5)
Первый член этого выражения пропорционален первойстепени амплитуды сигнала, второй – ее квадрату. При определенной амплитудесигнала выделяемая на выходном электроде мощность достигает наибольшегозначения (рис. 2);
/>
Рис. 2. Зависимость мощности, выделяющейся на
выходном электроде усилительного элемента, работающего
в режиме В, от амплитуды входного сигнала
дляопределения условий, при которых это имеет место, заменим в (5) I’максчерез Uвых.ми R~n,после чего это выражение можно представить в виде
/>. (6)
Дифференцируя выражение в скобках по /> и приравнивая производнуюнулю, найдем, что P достигает наибольшей аеличины при значении />, равном
/>;/>. (7)
При этом кпд выходной цепи /> составляет
/>, (8)
аследовательно, мощность, выделяемая на выходном электроде, равна отдаваемой.
Если каскад мощного усиления работает в режиме В сизменяющейся в широких пределах амплитудой входного сигнала, /> изменяется пропорциональносигналу. В этом случае, если при максимальном расчетном сигнале />, максимальная мощностьвыделяется на выходном электроде при максимальном сигнале и ее находят поформуле (5), подставив в формулу I’макс,соответствующее максимальному расчетному сигналу. Если же при максимальномрасчетном сигнале />, максимальнаямощность на выходном электроде выделяется при амплитуде сигнала,соответствующей />. В этом случаемаксимальную мощность, выделяющуюся на выходном электроде, также находят поформуле (5), но в формулу подставляют I’макс,соответствующий />.
При работе каскада мощного усиления в режиме В снеизменной амплитудой сигнала выделяемую на выходном электроде усилительногоэлемента мощность находят по формуле (5) для расчетной амплитуды сигнала.
В симметричной двухтактной схеме с выходнымтрансформатором, работающей в режиме В, магнитодвижущая сила (мдс), создаваемаяпрохождением тока покоя усилительного элемента через половину первичной обмоткитрансформатора, компенсируется точно такой же мдс обратного знака, создаваемойпрохождением тока покоя другого усилительного элемента через другую половинупервичной обмотки. Поэтому при прохождении эдс сигнала через нулевое значениемагнитный поток в сердечнике выходного трансформатора отсутствует и нагрузочнаяпрямая плеча проходит не через точку покоя, а через точку Uна горизонтальной осисемейства статических выходных характеристик (см., например, рис 3).
/>
Рис. 3. Cемейство статических выходных характеристик триодаГМ-70 и нагрузочная прямая
для одного плеча двухтактного каскада, работающего врежиме В при Ra~n=2200ом
Проведенная на семействе статических выходныххарактеристик усилительного элемента нагрузочная прямая, соответствующаявыбранному значению сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току, врежиме В представляет собой лишь половину полной нагрузочной прямой. Втораяполовина прямой, являющаяся продолжением первой, расположена нижегоризонтальной оси. При симметричности плеч двухтактного каскада, работающего врежиме В, он не вносит четных гармоник; из формул метода пяти ординат следует,что при I’1=0,5 I’макстретья гармоника также исчезает.Отношение токов I’1 и I’макс зависит от величины смещения на входном электродеусилительного элемента, поэтому для получения наименьшего коэффициента гармоникпри максимальной амплитуде сигнала смещение желательно брать таким, чтобы I’1=0,5 I’макс.
В каскадах работающих в режиме В с изменяющейся вшироких пределах амплитудой сигнала (например, в усилителях для усилениясигналов речи и музыки), необходимо иметь крутизну характеристики усилительногоэлемента в точке покоя не ниже 0,3/>0,4средней крутизны за рабочий полупериод. При крутизне в точке покоя меньшеуказанного значения суммарная динамическая характеристика каскада заметноискривляется вблизи точки покоя, и каскад вносит значительные нелинейныеискажения при малых амплитудах сигнала.
Параметры усилительных элементов, используемых вдвухтактной схеме, отличаются друг от друга в пределах допусков техническихусловий. Вследствие этого верхний и нижний полупериоды сигнала на выходедвухтактной схемы, работающей в режиме В, оказываются неравными, что вызываетпоявление в выходном сигнале четных гармоник и смещает точку, соответствующуюпрохождению сигнала через нулевое значение, с горизонтальной оси.
Для расчета коэффициента гармоник двухтактного каскадас несимметричными плечами токи I’макс, I’1, I’, найденные по статическим характеристикамусилительного элемента, принимают за номинальные и находят пять значений токов Iмакс, I1, I, I2 и Iмин, предположив, чтоодно плечо имеет токи в (1+b), а другое в (1-b), отличающиеся от номинальных. Учитывая, что токивторого плеча имеют обратное направление, их считают отрицательными. Остаточныйток покоя I,вызывающий подмагничивание выходного трансформатора, равен разности токов покояобоих плеч. В результате получим следующие формулы для вычисления указанныхтоков:
/>. (9)
В ламповом каскаде, работающем в режиме В, отрицательноесмещение на управляющие сетки желательно подавать от отдельного источника(выпрямителя). Чтобы токи сетки, имеющие место при случайной перегрузкеусилителя, не запирали выпрямитель смещения и не заряжали выходной конденсаторего фильтра до напряжений, при которых мощный каскад будет работать в режиме С,выпрямитель смещения нагружают сопротивлением Rн (рис. 4).
Токнагрузки этого выпрямителя для каскада в режиме В без токов сетки берут порядка0,1 от среднего значения анодного тока каскада при максимальном сигнале.
Отрицательное смещение на сетки ламп в режиме Вможно подавать и с сопротивления, включенного в общий катодный проводдвухтактной схемы (катодное смещение). Однако ввиду того, что среднее значениеанодного тока в режиме В сильно зависит от амплитуды сигнала, смещение на сеткепри малых амплитудах будет невелико и каскад будет работать почти в режиме А.При максимальном расчетном сигнале и правильно рассчитанном сопротивлениикатодного смещения каскад будет работать в режиме В, но при сигнале вышерасчетного перейдет в режим С. Вследствие возрастания отрицательного смещенияна сетках при увеличении амплитуды сигнала средняя крутизна характеристики лампза период падает, и амплитудная характеристика каскада, работающего в режиме Вс катодным смещением, получается криволинейной (рис. 5).
/>
Рис. 5. Амплитудная характеристика каскадамощного усиления,
работающего в режиме В с катодным смещением
Значение Rкдля каскада, работающего в режиме В с катодным смещением, находят, поделивнапряжение отрицательного смещения Uс0на средний ток в катодном проводе при максимальном расчетном сигнале Iк.ср
/>. (10)
Для триодов Iк.срравно среднему току в анодном проводе Iа.сри находят по формуле (2); для экранированных ламп Iк.срравно сумме Iа.ср и среднего значениятока экранирующих сеток за период сигнала.
При расчете каскада в режиме В с катодным смещениемнеобходимо проверять мощность, рассеиваемую на аноде ламп в режиме покоя. Таккак по отношению к источнику анодного питания лампы двухтактной схемы включеныпараллельно, то для нахождения тока покоя каскада при отсутствии сигнала строятстатическую характеристику зависимости удвоенного катодного тока от смещения насетке и находят точку пересечения этой характеристики с прямой, проходящейчерез начало координат и через точку пересечения перпендикуляров,восстановленных из точек Uc0и2Iк.ср (рис. 6).
/>
Рис. 6. Определение тока покоя каскадамощного усиления
с катодным смещением, работающего в режимеВ.
Прямая характеризует падениенапряжения на сопротивлении Rк взависимости от тока через него, а точка пересечения прямой и характеристикисуммарного тока определяет смещение на сетках каскада U’с0и суммарный катодный ток 2I’к0при отсутствии сигнала. Поделив этот ток пополам и вычтя из него токэкранирующей сетки при каскаде с экранированными лампами, находят анодный токпокоя одной лампы и мощность, рассеиваемую на аноде в режиме покоя. Еслинайденная таким образом мощность превышает Pа.допвзятой лампы, работа в данном режиме с катодным смещением невозможна и смещениена сетку необходимо подавать от отдельного источника.
2. Каскад с трехэлектродными лампами
Для определения желательных параметров триода инаивыгоднейшего сопротивления их анодной нагрузки в режиме В используем семействоидеализированных выходных статических характеристик триода (рис. 7).
/>
Рис. 7. Расчет каскада мощного усиления стриодами в режиме В
При работе без токов сетки и полном использованиидамп нагрузочная линия, проходящая через точку Rа0,касается нулевой характеристики триода (прямая А по рис. 7). При этомсопротивление анодной нагрузки плеча переменному току Ra~n и внутреннее сопротивление триода Ri определяются формулами:
/>, (11)
/>. (12)
Отсюда в режиме В
/>. (13)
Решив (13) относительно Uами подставив в формулу, определяющую отдаваемую каскадом мощность сигнала P~, получим
/>. (14)
Это показывает, что наибольшая мощность, которуютриоды могут отдать при работе в режиме В без токов сетки:
1)прямо пропорциональна квадрату анодного напряженияUа0;
2)обратно пропорциональна внутреннему сопротивлениютриодов Ri;
3)зависит от отношения сопротивления нагрузки квнутреннему сопротивлению лампы.
Отсюда следует, что для получения наибольшеймощности в режиме В при заданном напряжении на аноде необходим триод с малымвнутренним сопротивлением, как и в режиме А. Продифференцировав знаменательправой части выражения (14) по а и приняв производную нулю, нетрудноубедится, что максимум отдаваемой мощности имеет место при а=1.Следовательно, при заданном анодном напряжении и работе без токов сетки триод врежиме В отдает наибольшую мощность при сопротивлении анодной нагрузки, равномего внутреннему сопротивлению.
Для определения зависимости кпд каскада мощногоусиления с триодами в режиме В от сопротивления нагрузки используем выражение(4), которое после замены U0 через Uам+Uости деления числителя и знаменателя полученного выражения на Uостпримет вид
/>, (15)
так как согласно (13)отношение />.
Из (15) видно, что кпд каскада мощного усиления стриодами в режиме В растет с увеличением сопротивления нагрузки, стремясь к /> при безграничномвозрастании Ra~n.
Сопротивление нагрузки плеча Ra~n двухтактного каскада в режиме В желательно братьпорядка 1,5 Ri или выше, еслипоследнее допустимо с точки зрения отдаваемой каскадом мощности.
3. Каскад с экранированными лампами
В режиме В, так же как и в режиме А, наивыгоднейшейнагрузкой для экранированной лампы является такая, при которой верхний конецнагрузочной прямой проходит через сгиб статической анодной характеристики для uc=0. При этом отдаваемая лампами мощность икпд близки к максимальным. Ввиду того что нагрузочная прямая в режиме Впроходит через точку Uа0 нагоризонтальной оси, а не через точку Iа0режимаА, сопротивление анодной нагрузки плеча Ra~n получается меньше, чем в режиме А, обычнонаходясь в пределах />.
Для уменьшения коэффициента гармоник при большойамплитуде сигнала отрицательное смещение на управляющей сетке экранированныхламп, как и в случае триодов, берут таким, при котором I’1вдвое меньше I’макс. Дляуменьшения нелинейных искажений при слабых сигналах необходимо иметьстатическую крутизну характеристики в точке покоя не ниже /> крутизны в рабочей еечасти.
4. Каскад с транзисторами
В режиме В, так же как и в режиме А, ввидунезначительности остаточного напряжения у транзисторов максимальная амплитудапеременной составляющей выходного напряжения Uвых.мпочти равна напряжению питания выходного электрода U0.отсюда отдаваемая каскадом мощность P~и сопротивление плеча переменному току R~n определяется выражениями:
/> . (16)
Из этих формул нетрудно получить следующие расчетныеформулы для транзисторного двухтактного каскада, работающего в режиме В:
/>. (17)
Напряжение питания транзисторов U0для уменьшения входной мощности сигнала и коэффициента гармоник в режиме Вжелательно брать возможно более высоким, но не выше /> максимальнодопустимого напряжения между выходными электродами для примененного способавключения.
Так как в транзисторном каскаде />, максимальная мощностьвыделяется на коллекторе при входном сигнале, соответствующем />. Ее рассчитывают по формуле(5), подставив в последнюю значение I’макс,соответствующее />.
Повышение входного сопротивления транзистора прималых входных токах приводит к изгибу нижней части сквозной динамическойхарактеристики, что при слабых сигналах вызывает появление значительныхискажений. Поэтому в каскадах, работающих в режиме В с изменяющейся амплитудойсигнала, на базу относительно эмиттера подают небольшое отрицательное смещение(/> в для германиевыхтранзисторов) от низкоомного делителя напряжения. При этом сквознаяхарактеристика спрямляется и нелинейные искажения при слабых сигналахпрактически исчезают.
При работе в режиме В с постоянной амплитудойсигнала и включении с общей базой можно получить низкий коэффициент гармоник ибез смещения, спрямив нижний изгиб сквозной характеристики высокимсопротивлением источника сигнала.
Динамические характеристики транзисторного каскада врежиме В строят для одного полупериода сигнала. Напряжение, ток и мощностьвходного сигнала находят по входной динамической характеристике; коэффициентгармоник – по сквозной динамической характеристике.
Заключение
Режимом В называют такой режим работы усилительногоэлемента, в котором при идеализированной (спрямленной) проходной динамическойхарактеристике ток выходной цепи протекает в течение половины периода сигнала.
В виду незначительности тока покоя и малого среднегозначения выходного тока по сравнению с его амплитудой, кпд режима В значительновыше, чем режима А. Однако большое содержание четных гармоник в выходном токепозволяет применять режим В в однотактных каскадах усиления гармоническихсигналов лишь в резонансных усилителях, где нагрузкой является параллельныйрезонансный контур, настроенный на частоту сигнала или на одну из его гармоник.В этом случае напряжение на нагрузке практически синусоидально, так как длядругих частот параллельный контур представляет собой почти короткое замыкание.В усилителях импульсных сигналов одной полярности режим В может применятся и воднотактной схеме.
В усилителях, предназначенных для усилениягармонических сигналов различных частот, а также в усилителях импульсныхсигналов обеих полярностей использование режима В возможно лишь в двухтактнойсхеме. При этом одно плечо двухтактной схемы работает в течение положительногополупериода сигнала, другое – в течение отрицательного полупериода и формасигнала на нагрузке при прямолинейной динамической характеристике не отличаетсяот формы эдс источника сигнала. В практических условиях вследствиенепрямолинейности динамической характеристики и неодинаковости параметровусилительных элементов в плечах схемы режим В в двухтактной схеме даетнелинейные искажения как по четным, так и по нечетным гармоникам. Коэффициентгармоник в режиме В выше, чем в режиме А, вследствие использования большегоучастка статической характеристики усилительного элемента, включая еекриволинейную нижнюю часть.
Каскады с выходной мощностью порядка десяти и болееватт, предназначенные для усиления гармонических сигналов различных частот илиимпульсных сигналов, всегда работают в режиме В. В экономичных переносныхустройствах, питаемых от химических источников тока, применение режима В иногдацелесообразен в каскадах с выходной мощностью даже в доли вольт.
Литература
1. Расчетсхем на транзисторах. Пер. с англ. – М.: Энергия, 1969
2. Цыкин Г.С. Электронные усилители – М.: Связь, 1965
3. КсояцкасА. А. Основы радиоэлектроники – М.: В. Ш., 1988