iн = uн(t)/R. Тогда мгновенная мощность на транзисторе выразится формулой:
Средняя же мощность в одном плече определится следующей формулой (обратите внимание, что хотя мы считаем для одного плеча, осреднение происходит по полному значению периода 2π, просто в течение второго полупериода плечо не работает):
Для синусоидального напряжения подставим а также выражение для (см. ранее), и получим:
Суммарная мощность, потребляемая от источника, будет равна сумме мощностей на обоих транзисторах и нагрузке, а КПД выразится формулой (величина сопротивления нагрузки R в числителе и знаменателе сокращается):
Учтем, что в данном случае Uпит = Uа, и окончательно получим, что теоретический КПД для усилителя класса В составляетπ/4 = 0,785 = 78,5 %. Практически же КПД будет существенно меньше по целому ряду причин. Первая причина — мы производили расчет для максимального значения сигнала, а в реальности, как и для класса А, сигналы достигают этой величины только изредка. На рис. ПЗ.З приведены графики распределения мощностей и изменения КПД в зависимости от амплитуды сигнала.
Рис. ПЗ.З.Распределение мощностей и величина КПД в зависимости от относительной амплитуды выходного сигнала в усилителях класса В:
1 — мощность на каждом из транзисторов; 2 — мощность в нагрузке; 3 — суммарная мощность, потребляемая от источника; 4 — КПД
Интересно, что в отсутствие сигнала КПД, как и для класса А, равен нулю, но есть одно существенное различие — сама мощность, потребляемая от источника питания, при этом также равна нулю.
Кроме этого, есть и другие причины снижения КПД. Прежде всего, переходная характеристика, как и для класса А, не является прямой линией — практически это выражается, в частности, и в том, что напряжение на выходе будет ограничиваться величинами, меньшими, чем напряжение питания. Напряжение на выходе будет всегда ниже входного по крайней мере на величину падения база-эмиттер. Все это само по себе уменьшит незатемненную область на графике и увеличит затемненную.
Главное же, что в чистом виде класс В для усиления аналоговых сигналов не используют — из-за больших искажений типа «ступенька» (см. главу 8). Поэтому практически классы В и А объединяют, создавая некоторый начальный ток смещения комплементарной пары, — такой режим усилителя известен, как класс АВ, и большинство аналоговых схем построено по этому принципу (в главе 8 мы обеспечивали режим АВ с помощью цепочки диодов).
Все это касается случая, когда выходной каскад составлен из биполярных транзисторов. Применение комплементарных полевых транзисторов может существенно снизить искажения, однако там появится новая напасть — в момент равенства сигнала нулю оба транзистора пары будут приоткрыты (эффект «сквозного тока» — явление, аналогичное происходящему при переключении в КМОП-микросхемах), и это равносильно принудительному смещению биполярных транзисторов. В результате КПД «хороших» усилителей класса АВ составляет от силы 60 %, а часто еще меньше (именно поэтому вглаве 8 при расчете радиаторов я задавался величиной мощности на выходных транзисторах, равной мощности в нагрузке).
Соответствие наименований...
... и функциональности некоторых зарубежных и отечественных цифровых микросхем
В табл. П4.1 приведены основные микросхемы «классической» КМОП-серии, их отечественные аналоги, полные или функциональные аналоги из серии 74, включающей в себя как быстродействующие КМОП-микросхемы (с буквой С в наименовании), так и ТТЛ, а также отечественные функциональные ТТЛ-аналоги из серий 155 (133), 555, 533, 1555, 1533 и др. Следует отметить, что всего в серии 74 представлено около полутора десятков различных технологий, но одинаковые по функциональности микросхемы в различных сериях называются одинаково. Не все микросхемы имеются во всех исполнениях — так, полные аналоги 4049/4050 имеются только в серии НС, в то же время дешифратор 74хх247(ИД18) существует только в ТТЛ-исполнении. CD4056 (561ИД5) не является его полным аналогом, т. к. имеет дополнительные выводы для управления ЖКИ или люминесцентного индикатора переменным напряжением и т. д.
* В быстродействующей КМОП-версии не существует. Рекомендуется заменять на 514ИД1/2 (MSD047/MSD101).
** Для аналоговых сигналов предпочтительнее использовать 590КН2/КН5/КН13.
Кроме приведенных в таблице, и 4000-я серия, и, тем более, разновидности 74-й включают в себя еще очень много типов микросхем, здесь приведены только те, которые имеют аналоги в отечественной «классической» 561-й серии (за исключением ряда микросхем, выполняющих арифметические функции, ввиду потери ими актуальности). Часто приводимая в справочниках серия 54 есть та же 74-я, но в военном исполнении, с повышенным температурным диапазоном. О соответствии отечественных и импортных КМОП-серий говорилось в главе 15.
Прочерк в таблице для микросхем ТТЛ и 74-й серии означает, что для данной микросхемы «классической» КМОП-серии прямых функциональных ТТЛ-аналогов не существует. Однако это вовсе не означает, что микросхем, выполняющих аналогичные функции, в ТТЛ и быстродействующей КМОП вообще нет. Так, в этих сериях нет микросхемы, аналогичной CD4000 (два элемента «ЗИЛИ-НЕ» и один элемент «НЕ»), но есть микросхема ЛЕ4 (74хх27), содержащая три элемента «3ИЛИ-НЕ», которые могут выполнять те же функции. Для некоторых типов, как для упомянутой CD4056, функциональный аналог приведен неполный: ПУ4 и 74НС4050 имеют обычный двухтактный выход, а ЛП4 и 74хх17 — с открытым коллектором, еще сложнее ситуация с некоторыми счетчиками. Поэтому при замене «классических» КМОП-микросхем на их быстродействующие аналоги и, тем более, на ТТЛ-микросхемы всегда следует сверяться с техническими описаниями.
CD4xxx — наименование серии 4000, принятое в фирме Fairchild Semiconductor, МСИххх — в фирме Motorola. У других фирм могут быть свои префиксы, например, SN4xxx — у Texas Instruments, HCC или HCF — у фирмы ST Microelectronics, HEF — у Philips и NXP. Микросхемы серии 74НС Texas Instruments выпускает также с префиксом SN, Fairchild — с префиксом ММ, остальные с префиксом М или вовсе без префикса. Еще разнообразнее правила в отношении 74АС, кроме того, все эти правила действуют не всегда, — так, имеются микросхемы с префиксом CD, но производства не Fairchild, а других фирм (например, Texas Instruments или Philips).
Отечественное НПО «Интеграл» выпускает лицензионные микросхемы 74-й серии с префиксом IN. Сами обозначения микросхем в серии остаются одинаковыми независимо от префикса.
Словарь часто встречающихся аббревиатур и терминов
Разработчики электронных приборов — большие любители сокращений, которые нередко приводят без дополнительных пояснений. Некоторые из часто встречающихся английских аббревиатур расшифровываются в табл. П5.1.
Далее приведен перевод некоторых терминов, часто встречающихся в технической документации. Термины, вошедшие в русский язык в оригинальном звучании или близком к нему (transistor, resistor, logic, timer, emitter и т. п.) и потому понятные без перевода, за некоторыми исключениями не приводятся. Не приводятся также термины и сокращения, подробно рассмотренные в тексте соответствующих глав (SRAM, DRAM, EEPROM и т. п.).
□ Блок (узел, устройство) — unit
□ Центральный процессорный блок — central processor unit, CPU
□ Внешний — external
□ Внутренний — internal
□ Восьмеричный — octal
□ Вход — input
□ Вывод (компонента) — pin, lead
□ Выпрямитель — rectifier
□ Выход — output
□ Вычитание — subtraction
□ Генератор тактирующих импульсов — clock
□ Данные — data
□ Двоичный — binary
□ Действующий, ее (значение, напряжение) — effective
□ Деление — division
□ Делитель — divisor
□ Десятичный — decimal
□ Диапазон — range, scale
□ Доступ — access
□ Дрейф — drift
□ Емкость — capacity, capacitance
□ Задержка — delay
□ Заряд — charge
□ Затвор — gate
□ Земля — ground
□ Измерение — measuring
□ Индуктивность (катушка индуктивности) — coil
□ Исток, источник — source
□ Канал — channel
□ Канал передачи данных — data transfer channel
□ Кнопка — button, key
□ Конденсатор — capacitor
□ Корпус — case, package
□ Коэффициент усиления — gain
□ Коэффициент усиления по напряжению — voltage gain
□ Мост — bridge
□ Мост выпрямительный — rectifier brige
□ Мощность — power
□ Набор — kit
□ Напряжение — voltage
Высокий уровень — напряжения — high voltage
Низкий уровень напряжения — low voltage
Напряжение питания — supply voltage
Напряжение смещения — bias
□ Ноль — zero
□ Объединение (каналов) — multiplex
□ Отношение — ratio
□ Пайка — soldering
□ Память — mefnory
□ Панель (для микросхем) — socket
□ Параллельный — parallel
□ Переключатель — switch
□AC (alternating current) — переменный ток
□Access — доступ
□Accuracy — точность (погрешность)
□ADC (analog-to-digital converter) — аналого-цифровой преобразователь