Контрольная работа по физике

Двухтактный усилитель мощности

Двухтактные схемы выходных каскадов с применением транзисторов показаны па рис. 15.20.

При подаче переменного напряжения ивх транзисторы работают поочередно один закрыт, другой открыт, а в выходной обмотке трансформатора Тр2 течет гармонический, неискаженный, ток (рис. 15.20). Этот режим работы транзисторов называется режимом класса В.

По существу двухтактный каскад представляет собой сочетание двух однотактных каскадов, которые образуют два «плеча» схемы и работают согласованно на общий потребитель R. На входе включен трансформатор, имеющий вывод от средней точки вторичной обмотки, а на выходе трансформатор с выводом средней точки первичной обмотки. Резисторы же эмиттерной стабилизации являются общими для обоих транзисторов.

 Рис. 15.20

Постоянные токи цепей коллекторов создают в половинах первичной обмотки выходного трансформатора встречные ампервитки, а потому сердечник не подмагничивается постоянным током; это позволяет уменьшить объем сердечника; вместе с тем взаимно компенсируются результаты изменения коллекторных токов, которые создаются плохой фильтрацией источника питания и приводят в однотактном каскаде к гудению («фону») в громкоговорителе.

Пусть на вход каскада воздействует переменное напряжение сигнала. Середина вторичной обмотки входного трансформатора присоединена к общей точке схемы; напряжения, снимаемые на базы с концов обмотки, противоположны по знаку (т. е. имеют сдвиг фаз в 180°). Следовательно, когда напряжение на одной из баз () возрастает (в отрицательную сторону), напряжение на другой базе () уменьшается и наоборот (рис. 15.21а и б). Соответственно ток коллектора (на рисунке показаны только переменные составляющие) в первом транзисторе () возрастает, а во втором () уменьшается и наоборот (рис. 15.21в и г). Иначе говоря, в общем участке коллекторных и эмиттерных цепей, т. е. в источнике питания и в резисторе Rэ, переменные токи, взаимно компенсируясь, отсутствуют. Поэтому резистор Rэ не требует шунтирования конденсатором.

В двух половинах первичной обмотки выходного трансформатора переменные слагающие коллекторных токов не только сдвинуты по фазе на 180°, но еще проходят от средней точки в противоположных направлениях. Это означает, что создаваемые ими в верхней и нижней половинах обмотки переменные магнитные потоки (ампервитки   и ) совпадают по фазе (рис. 15.21д и е), образуя удвоенный общий поток  (рис.15.21ж). Во вторичной обмотке наводится ЭДС согласованно обоими транзисторами, и (при идеальной симметрии плеч) полезная мощность удваивается. В этом и состоит сущность работы двухтактного каскада.

Замечательным свойством двухтактной схемы является свойство взаимной компенсации нелинейных искажений двух ламп. Теперь представим себе, что такие искажения происходят в обоих транзисторах двухтактной схемы и оба искаженных тока наводят магнитные потоки в сердечнике выходного трансформатора. 

Замечательно следующее: когда первый транзистор посылает «острую» полуволну тока, второй посылает «плоскую» (сжатую) полуволну и наоборот (рис. 15.22а и б).

Разлагая магнитные потоки (ампервитки), создаваемые верхней () и нижней () половинами обмотки, на первую и вторую гармоники и не принимая во внимание четвертую, шестую и другие (рис. 15.22в и г), видим, что первые гармоники (1) совпадают по фазе (как это было и на рис. 15.21), а вторые гармоники (2) противофазны. Следовательно, вторые гармоники в составе общего магнитного потока взаимно компенсируются, и в сердечнике трансформатора имеется лишь поток основной частоты () с удвоенной амплитудой (рис. 15.21д). Так же будут взаимно компенсироваться четвертые, шестые гармоники и т. д.

Из этого замечательного свойства вытекают практические следствия: в каждом плече двухтактной схемы точку т (см. рис. 15.19) можно выбирать не в середине прямой kmn, а ниже, чтобы уменьшить 

  Рис. 15.21 Рис. 15.22

постоянную составляющую тока во время покоя (молчания) и тем самым повысить полезную мощность и КПД каскада. Появляющиеся в каждом плече высшие гармоники (вторые, четвертые и т. д.) взаимно компенсируются. Возможен даже такой режим, когда каждое плечо дает импульс тока только в течение половины периода, а во вторую половину периода ток в цепи коллектора (или анода) отсутствует. Этот режим называется режимом В. Впрочем, в радиоприемной аппаратуре чаще применяется промежуточный режим, называемый режимом АВ.

Недостатком двухтактных схем с трансформаторами входным и выходным является наличие двух трансформаторов громоздких и дорогих элементов усилителя. Кроме того, трансформаторы с ферромагнитным сердечником вносят дополнительные нелинейные искажения сигнала и потери его мощности. Поэтому в современных приемниках и усилителях широкое применение получили бестрансформаторные схемы. В некоторых усилителях нагрузка подключается к транзистору усилителя через эмиттерный повторитель, и с его помощью осуществляется довольно хорошее согласование по мощности, поскольку выходное сопротивление  эмиттерного повторителя мало. При

   .

В последние годы широкое использование получили двухтактные бестрансформаторные усилители на комплементарных парах транзисторов. Такая пара содержит транзисторы рпр и прп с близкими параметрами. Упрощенная схема такого усилителя изображена на рис. 14.23. Между базами и эмиттерами обоих транзисторов приложено одно и то же входное напряжение.

 

 Рис. 15.23 Рис. 15.24

 В схеме рассмотренной на рис. 15.23 оба транзистора работают по схеме с общим коллектором, как и в схеме эмиттерного повторителя. Это облегчает согласование по мощности нагрузки с выходом усилителя.

При отсутствии сигнала через транзисторы протекают одинаковые постоянные точки , которые на сопротивлении Rн вычитаются, и общий ток через Rн равен нулю.

Простейшая реальная схема двухтактного бестрансформаторного усилителя приведена на рис. 15.24.

Следует учитывать, что в мощных каскадах транзисторы требует специального ребристого радиатора для увеличения теплоотдачи: без радиатора транзистор уже при небольшой мощности, теряемой в его  переходах, может нагреться до температуры, превышающей допустимую.

Время жизни носителей заряда Т n,p характеризует процесс рекомбинации неравновесных носителей и определяется временем жизни неосновных носителей. С увеличением уровня легирования слоя время жизни неосновных носителей понижается вследствие повышения числа дефектов. Требования к значению времени жизни носителей часто противоречивы. Для одних параметров время жизни целесообразно повышать, тогда как для других — следует снижать. Типовые значения Т n,p для исходных пластин кремния коллекторного и базового слоев составляют (0,1–1)×10 –6 сек, снижаясь до (0,1 –1)×10–7сек в эмиттерном слое.

Напряжение пробоя изоляции слоя Uпр определяется физическими свойствами материалов на границе раздела слоя и основания. Слои изолируются от смежных областей слоем диэлектрической пленки или обратно смещенным p-n-переходом. В качестве диэлектрика на кремнии применяется окисная пленка SiO2, которая, в зависимости от метода выращивания, имеет следующие параметры:

удельное сопротивление, ρ, (Ом×см) — (1012–1016);

плотность, с, г/см3 — 2;

диэлектрическая проницаемость, ε, отн. — (3 – 3,8);

электрическая прочность, Екр, (В/см) (106–107).

Напряжение пробоя определяется по формуле

Uпр = d×Екр, (2.15)

где d — толщина диэлектрика, см.

Если функцию изоляции выполняет p-n-переход, то напряжение пробоя зависит от структуры перехода. Различают переходы резкие и плавные, узкие, где возможен классический туннельный пробой, и широкие, где преобладает лавинный пробой. Туннельный пробой имеет место в узких резких переходах при степенях легирования более 1018см–3. Напряжение туннельного пробоя изоляции оценивается по соотношению

  Uпр.т = 40×ρn + 8×ρp (B), (2.16)

где ρn, ρp — удельные сопротивления слоя и основания.

С учетом линейной зависимости напряженности с максимумом на металлургической границе напряжение лавинного пробоя изолирующих резких переходов оценивается по формуле

Uпроб = ε×εo×(Екр)2/(2q×Nср), (2.17)

которая преобразуется для несимметричных переходов в следующие эквивалентные формы

 Uлав.р = 86×ρn0,65 (B), (2.17а)

для ρn << ρp и

 Uлав.р = 23×ρp0,75 (B), (2.17б)

для ρn>> ρp. Значение критической напряженности в кремнии Екр составляет (2–5)×10 5 В/см.

С учетом параболической зависимости напряженности с максимумом на металлургической границе напряжение лавинного пробоя плавного перехода определяется по формуле

 Uпроб = √[ 3,6×ε×εo×(Екр)3/(q×А)], (2.18)

которая для кремния встречается несколько иной эмпирической редакции

 Uлав.пл.= 1,7×109×А–0,364 (B), (2.19)

где А (см–4) — градиент концентрации разностной концентрации примесей на границе раздела слоя и несущей области.

Ширина области объемного заряда (ширина p-n-перехо-да) для перехода с линейным распределением примеси определяется по выражению

  Wpn = Wpno×(1+ U/Fk)1/3, (2.20)

где Wpno — ширина перехода при U = 0;

U — внешнее обратное напряжение, приложенное к переходу;

Fk — контактная разность потенциалов.

Значение Wpno определяется по формуле

 Wpno = [12×Fk×ε×ε0/(q×A)]1/3 (см), (2.21)

где ε0 =8,86×10–14 ф/см;

Контактная разность потенциалов Fk для рассматриваемого перехода определяется из равенства

  еxp[ 3×Fk/(2×Ft)] = [3×Fk×ε×ε0×A2/q×Ni3], (2.22)

или из равенства

  Fk =2× Ft×Ln [Wpno×A/(2×Ni)]. (2.23)

Для переходов со ступенчатым распределением примеси ширина определяется по формуле

 Wpn1 = Wpno1×(1+ U/Fk1)1/2, (2.24)

где Wpno1 при U = 0 определяется по формуле

 Wpno1 = [2×Fk1×ε×ε0/(q×Nср)]1/2(см), (2.25)

с учетом

  Fk1 = Ft×Ln [Na×Nd/(Ni)2], (2.26)

 Nср = Na×Nd/(Na + Nd), (2.27)

где Na, Nd — концентрации примеси акцепторов и доноров соответственно в областях, образующих переход.

Условие для усилителя, усиления сигналов без искажением их формы

Эмиттерный повторитель Между усилителями надо включать каскады передачи сигнала, которые обладают большим входным сопротивлением.

Усилители постоянного тока и дифференциальные усилители


Импульсные и цифровые устройства