Классификация усилителей мощности.
Усилители мощности принято классифицировать по принципу их построения:
1. Аналоговые усилители мощности.
усилители мощности класса А;
усилители мощности класса AB;
усилители мощности класса В.
2. Ключевые усилители мощности.
ключевые усилители мощности с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);
ключевые усилители мощности с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ);
спектрально-ключевые усилители мощности;
дискретно-аналоговые усилители мощности.
14.1 Однотактные усилители мощности класса а
В однотактном каскаде усиление осуществляется одним транзистором рис. 14.4.
Рис.14.4. Принципиальная схема усилителя мощности класса А.
Транзистор работает в режиме А: рабочая точка выбирается на середине линейного участка проходной характеристики (рис. 14.5в), на середине нагрузочной прямой (рис. 14.5.б). Точки B и C определяют максимальные границы используемого участка нагрузочной прямой. Точка B лежит на границе с состоянием насыщения, а точка C – на границе с запертым состоянием транзистора.
а) б) в)
Рис.14.5. Выбор рабочей точки и построение нагрузочной прямой усилителя класса А
Для усилительных
каскадов класса А максимальное
значение КПД составляет 50%. На практике
,
т.е.
.
Стремление повысить КПД усилителей мощности класса А приводит к необходимости увеличения коэффициентов использования по току и напряжению. В этом случае амплитуда сигнала приближается к границам линейного участка, что приводит к увеличению коэффициента гармоник. Для оценки нелинейных искажений в усилителях мощности можно использовать графоаналитический метод.
Графоаналитический метод определения коэффициента гармоник однотактного усилительного каскада.
По сквозной характеристике прямой передачи можно вычислить амплитуды выходного тока каскада. На рис. 14.6. показано построение кривой тока коллектора при гармоническом сигнале на входе транзистора. Причем, будем считать, что на вход оконечного каскада подается неискаженная синусоида. На выходе получаем сигнал с искажениями.
Рис. 14.6 Проходная характеристика усилителя.
Для того чтобы оценить, какие новые гармоники появились в выходном сигнале удобно разложить выходной сигнал в ряд Фурье. Поскольку гармоническая функция является четной, то ее разложение в ряд Фурье содержит косинусы с нулевыми начальными фазами. Как правило, ограничиваются тремя членами разложения, поскольку амплитуда высоких гармоник, как правило, невысока, и их можно не учитывать.
|
(14.9) |
Здесь
– среднее значение или постоянная
составляющая;
– амплитуды гармоник тока
коллектора.
На
сквозной передаточной характеристике
отмечают пять точек (рис. 14.6), соответствующих
амплитудным значениям и половинам
амплитуд полуволн
,
а также значению
.
Ординаты
,
соответствующие этим пяти точкам
обозначим
.
Для точки «1»
имеем:
|
(14.10) |
Аналогичные выражения записываются для остальных пяти точек. В результате получаем систему из пяти уравнений с пятью неизвестными. Из этой системы и определяются амплитуды гармоник и среднее значение тока:
|
(14.11) |
;
;
;
;
.Коэффициент гармоник можно определить следующим образом:
|
(14.12) |
.Если при расчетах коэффициент гармоник получился больше заданного, то его необходимо снижать. Существует два основных способа снижения коэффициента гармоник:
Уменьшение амплитуды входного сигнала. Этот способ может быть применим не во всех случаях: как правило, амплитуда сигнала в нагрузке является величиной заданной.
Введение отрицательной обратной связи (ООС). При введение ООС коэффициент гармоник уменьшается в фактор обратной связи раз (в F раз). Однако в этом случае во столько же раз уменьшается коэффициент усиления, и при достаточно глубокой ООС усилитель перестанет усиливать сигнал.
Расчет однотактных усилителей класса А аналогичен расчету каскадов предварительного усиления.
Достоинства однотактных усилителей класса А: простота схемной реализации, простота расчета, низкий коэффициент гармоник.
Недостатки усилителей класса А: низкий КПД.