Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами: периодом Т, длительностью рабочего хода Т_р, длительностью обратного хода Т_обр, амплитудой U_m, коэффициентом нелинейности

где |du/dt|_t=0 и |du/dt|_t=_Tp − соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода. В ГЛИН, используемых на практике, Т_р изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, U_m−от единиц до тысяч вольт, Т_обр−от 1 до 50% от Т_р. В большинстве реальных схем ε<1%.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. На рисунке приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами U_вх отрицательной полярности. В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов R_б и R_к. При воздействии входного импульса длительностью Т_р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е_к через резистор R_к. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте: U_c=E_к(1−e^-^t^/(^RC⁾). По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение U_m/E_к мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе.

Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ

Усилитель мощности.

Выходной ток интегральных операционных усилителей обычно составляет не более 20 мА. Существует много способов, с помощью которых можно без особых затрат увеличить этот ток приблизительно в 10 раз.

Для этого можно применить, например, мощные выходные каскады. Для низкочастотных входных сигналов можно использовать двухтактные эмиттерные повторители в режиме В (см. рис.1). При положительных входных сигналах транзистор VT1 работает как эмиттерный повторитель, а транзистор VT2 заперт. При отрицательных входных напряжениях – наоборот. Таким образом транзисторы работают попеременно, каждый в течении одного полутериода входного напряжения. При Uвх=0 оба транзистора заперты; следовательно, схема имеет малый ток покоя. Ток, потребляемый как от положительного, так и от отрицательного источника напряжения равен току в нагрузке. Поэтому схема обладает существенно более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с обычным эмиттерным повторителем. Еще одно различие состоит в том, что выходное напряжение при любой нагрузке может достигать ±U, поскольку транзисторы не ограничивают выходной ток. Таким образом, в схеме не требуется согласования нагрузки, и максимальная мощность на выходе определяется лишь предельным током и максимальной мощностью рассеивания используемых транзисторов.

Как уже отмечалось выше, в каждый момент времени открыт только один транзистор. Однако это справедливо только для частот входного сигнала, не превышающих частоту пропускания используемых транзисторов. Из открытого состояния в закрытое транзистор переходит за определенный промежуток времени. Если длительность колебаний входного напряжения меньше этого промежутка времени, оба транзистора могут оказаться открытыми одновременно. При этом через открытые транзисторы от источников питания будет течь большой ток, который может привести к мгновенному разрушению транзисторов. Колебания с такой критической частотой могут возникнуть также в усилителях, охваченных обратной связью, или даже тогда, когда нагрузка эмиттерного повторителя носит емкостный характер. Для защиты транзисторов следует предусмотреть ограничение тока.

Режимы работы усилительных каскадов:

1. активный:

переход Э-Б приоткрыт, К-Б закрыт.

2. инверсный:

эмиттерный переход закрыт, коллекторный открыт, имеет малый коэффициент усиления из-за слабой степени легирования коллектора, малое пробивное напряжение, т.к. высокая степень легирования эмиттера, используется редко в ключевых схемах, ТТЛ – логике.

3. насыщения:

Э и К переходы открыты.

4. отсечки:

оба перехода закрыты.

Режимы насыщения и отсечки используются в ключевых устройствах с целью увеличения КПД и уменьшения рассеиваемой мощности. В режиме отсечки практически нет токов, в режиме насыщения очень малое напряжение (< 1В).

Классы усиления сигнала:

В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора различают А, В, АВ, С, Д классы усилений.

Класс А:

В этом режиме рабочая точка находится на середине квазилинейного участка проходной характеристики.

Достоинства:

· низкий коэффициент гармоник (минимальные нелинейные искажения)

Недостатки:

· низкий КПД (менее 50%)

· высокие потери мощности в режиме покоя (при отсутствии сигнала)

Используются в предварительных и промежуточных каскадах усилителей, а также в усилителях мощности сверхвысокого качества.

Класс В:

В этом режиме рабочая точка находится в начале координат проходной характеристики U_бэ = 0.

Достоинства:

достаточно высокий КПД (до 75%)
отсутствие потерь мощности в режиме покоя
стабильность рабочей точки

Недостатки:

высокие нелинейные искажения ( до 10%)

Используются в усилителях мощности невысокого качества и высокой экономичности при наличии глубокой ООС (которая уменьшает искажения) и в ОУ.

Класс АВ:

В этом режиме рабочая точка находится в начале линейного участка проходной характеристики.

Достоинства:

высокий КПД (60-65%),
невысокие потери мощности в режиме покоя
относительно невысокие линейные искажения(<3%).

Недостатки:

наличие тепловой положительной обратной связи, из-за которой нужны специальные меры для тепловой стабилизации рабочей точки

Используется в усилителях мощности среднего и

высокого качества (при наличии глубоких обратных связей).

Класс С:

В этом режиме рабочая точка находится левее начала координат проходной характеристики.

Достоинства:

высокий КПД ( ≈ 85%)

Недостатки:

очень высокие нелинейные искажения ( ≈ 30%)

Используется в устройствах, где нелинейные искажения не важны, в мощных радиопередатчиках, где выделение основной гармоники осуществляется выходным колебательным контуром.

Класс Д (ключевой режим):

Рабочая точка находится в нуле, либо левее нуля проходной характеристики, а входной сигнвл имеет прямоугольную форму. Происходит чередование режимов отсечки и насыщения.

Достоинства:

очень высокий КПД ( 95 - 97%)
отсутствуют потери мощности (только на фронтах).

Недостатки:

нелинейный режим.

Используются в импульсных блоках питания, преобоазователях напряжения и частоты, усилителях сверхбольшой мощности, где нужно большое КПД, в наконечниках лазеров.