Энергетические параметры усилителей мощности.

Основным энергетическим параметрам усилителя мощности является его КПД () – отношение полезной (отдаваемой в нагрузку) мощности , к потребляемой от источника питания мощности : .

На рис.14.1 представлена структурная схема усилителя мощности.

Рис.14.1 Структурная схема усилителя мощности

Мощность гармонического сигнала в нагрузке:

,

(14.1)

где – действующие значения тока и напряжения гармонического сигнала в нагрузке соответственно.

Мощность источника питания:

.

(14.2)

Таким образом,

.

(14.3)

Здесь k_i и k_u – коэффициент использования по напряжению и току соответственно; – напряжения питания.

Из формулы (14.3) видно, что для увеличения КПД необходимо увеличивать коэффициенты использования по току и напряжению. Значения этих коэффициентов зависит от номинала сопротивления нагрузки.

Рассмотрим два предельных случая:

Сопротивление нагрузки бесконечно мало (режим короткого замыкания на выходе): . Тогда коэффициент использования по напряжению и, следовательно .

Сопротивление нагрузки велико (режим холостого хода на выходе): . Тогда коэффициент использования по току и, следовательно .

На рис.14.2 приведена качественная зависимость КПД от номинала сопротивления нагрузки.

Рис. 14.2 Зависимость КПД от параметров нагрузки.

Из рис. 14.2 видно, что имеется, по крайней мере, один максимум . Следовательно, для любого усилителя мощности имеется как минимум одно оптимальное значение сопротивления нагрузки, при котором КПД оказывается наибольшим. Поэтому при проектировании усилителя мощности следует таким образом выбирать параметры принципиальной схемы, чтобы при заданном значении сопротивления нагрузки обеспечить максимальное значение КПД и снизить тепловую рассеиваемую мощность транзистора .

Тепловая рассеваемая мощность транзистора зависит от угла отсечки (его режима работы):

(14.4)

Здесь:

1. – режим А;

2. – режим АВ;

3. – режим В.

Для усилителей класса А _max=50% ( ). Если учесть, что тепловая мощность, рассеиваемая усилителем:

,

(14.5)

то при среднем значении КПД усилителей класса А 25%, на транзисторе будет рассеиваться мощность в три раза большая, чем мощность передаваемая усилителем в нагрузку. Следовательно, необходимо обеспечить трехкратный запас транзистора по рассеиваемой мощности.

Информационные параметры усилителей мощности

Любой усилитель может быть представлен как устройство, которое преобразует поступающую на него информацию рис. 14.3.

В усилителе происходит перемножение двух потоков: потока информации и потока энергии. Поток информации на выходе усилителя I^* должен совпадать с потоком информации на его входе. Это возможно только в том случае, когда скорость потока информации C_п не будет превышать пропускной способности усилителя .

Скорость потока информации (С_п) зависит от ширины спектра сигнала (F_с) и его динамического диапазона (D_с):

.

(14.6)

Пропускная способность усилителя зависит от его полосы пропускания и динамического диапазона :

.

(14.7)

Для усилителя мощности должно выполняться условие:

(14.8)

Согласно условию (14.8) существуют следующие варианты построения усилителей:

1. F_ус>F_с, D_ус>D_c. Это условие выполняется в линейном аналоговом усилителе мощности.

2. F_ус>>F_с, D_ус<<D_c. Это условие выполняется в ключевых усилителях мощности при условии высокого быстродействия ключей (усилители класса D).