5.5. Підсилювачі потужності

Ці підсилювачі призначені для забезпечення потрібної потужності сигналу на опорі навантаження при мінімальному значенні коефіцієнта нелінійних спотворень і максимальному ККД. Підсилювачі потужності є вихідними каскадами радіоприймачів, магнітофонів, електрофонів, телевізорів. Як опори навантаження в них застосовуються, наприклад, динамічні головки гучномовців, власний опір яких порівняно з вихідним опором транзистора невеликий.

Отже, однією з проблем при побудові підсилювачів потужності є забезпечення узгодження між вихідним опором транзистора й опором навантаження. Друга проблема полягає в забезпеченні економічного режиму роботи транзистора, при якому за відсутності сигналу від джерела живлення споживалась би мінімальна енергія. Першу проблему вирішують вибором схеми побудови каскадів, другу — вибором режиму транзистора і положення РТ на його динамічній ВАХ.

Підсилювачі потужності будують на транзисторах середньої та великої потужностей, які працюють при великих амплітудах струмів і напруг сигналів, сумірних зі значеннями напруг джерел живлення. Для відведення теплоти, що виділяється в транзисторах, часто використовують радіатори.

За схемою побудови розрізняють одно- та двотактні підсилювачі потужності. Двотактна схема зменшує нелінійні спотворення сигналу. За режимом роботи транзистора підсилювачі бувають класів А, В й АВ, найекономічніший з них — режим класу В, теоретичний ККД якого може досягати 78 %. Однак такий підсилювач навіть при двотактній схемі створює значні нелінійні спотворення сигналу. Тому на практиці найчастіше застосовуються двотактні підсилювачі потужності класу АВ. Для роботи каскаду в режимі А на вхідний електрод (базу) подається така напруга U₁₀, щоб РТ, яка визначає стан схеми за відсутності сигналу, знаходилася приблизно на середині прямолінійної ділянки прохідної характеристики транзистора (рис. 5.15). У цьому режимі напруга U₁₀ завжди перевищує найбільшу амплітуду вхідного сигналу U_{m вх}, а струм I₂₀ , який визначає положення РТ, перевищує найбільшу амплітуду струму на виході I_твих; відповідно U₂₀ > U_{т вих}. Згідно з рис. 5.15 ККД каскаду тобто навіть

(5.22)

теоретично допустимий ККД каскаду в режимі А не перевищує 50 %.

Рис. 5.15. Положення РТ і діаграми струму та напруг на електродах транзистора в

підсилювачі потужності класу А

Однак максимальна амплітуда сигналу на вході підсилювача діє короткий час. Тому реальний ККД каскаду не перевищує кількох відсотків. Ще одна негативна особливість режиму А полягає в тому, що саме за відсутності сигналу вся енергія джерела живлення виділяється на транзисторі у вигляді теплоти, тобто транзистор в режимі А працює в найтяжчих теплових умовах, потребуючи найбільшого охолодження саме за відсутності сигналу або малих його амплітудах.

У режимі В (рис. 5.16) РТ вибирається так, щоб струм спокою за відсутності сигналу дорівнював нулю (I₂₀ = 0), тобто РТ розташовується на самому початку ВАХ прямої передачі сигналу. Під дією сигналу на вході струм проходить через транзистор тільки протягом половини періоду, маючи форму імпульсів з кутом відсікання θ = π/2.

Рис. 5.16. Положення РТ і діаграми струму та напруг на електродах транзистора в

підсилювачі потужності класу В й АВ

Розвиваючи імпульс струму в ряд Фур'є при синусоїдній формі сигналу на вході, маємо

(5.23)

Таким чином,

(5.24)

тобто теоретично можливий ККД у режимі В може досягти майже 78 %.

Однак не ця властивість робить режим В дуже економічним. Справа в тому, що в режимі В споживання енергії від джерела живлення за відсутності сигналу на вході каскаду теж відсутнє і зростає, причому нелінійно, зі збільшенням амплітуди вхідного сигналу. Тому економічні показники каскаду в режимі В суттєво вищі, ніж це здається на перший погляд, охолоджувати транзистор значно простіше, а найтяжчі теплові умови для нього тривають недовго. Проте режим В створює значні нелінійні спотворення сигналу, внаслідок чого на практиці використовують проміжний режим АВ, при якому в стані спокою через транзистор проходить деякий струм I`₂₀, що визначає положення РТ_AB.

Крім розглянутих, є також режими роботи транзистора С (коли 0 < 90°) та В (перемикальний режим, при якому транзистор має два стани: відсікання колекторного струму і насичення), але вони в ПЗЧ не застосовуються.

Для практичної реалізації режимів АВ і В стандартна схема підсилювача потужності не може бути використана через наявність великих нелінійних спотворень. Такі підсилювачі будують за двотактною схемою, в якій два транзистори ввімкнені послідовно відносно джерела живлення і паралельно відносно сигналу. При цьому змінний струм вони пропускають по черзі: позитивну хвилю — один транзистор, негативну — інший, а в навантаженні ці струми додаються. Однією з особливостей двотактних схем є те, що зниження нелінійних спотворень у них відбувається не тільки завдяки почерговій роботі транзисторів, а й у зв'язку з тим, що парні гармонічні складові імпульсів струму в них взаємно знищуються внаслідок їх протифазності в навантаженні.

Дуже поширеними двотактними практичними схемами є емітерні повторювачі на комплементарній парі транзисторів. Комплементарною, або доповнювальною, називають пару транзисторів, які мають близькі характеристики і протилежні структури (п-р-п та.р –п -р;п- і р-канали). Спрощену принципову схему такого підсилювача і графіки, що ілюструють її роботу, зображено на рис. 5.17. Транзистори VТ1 та VТ2 ввімкнено в коло джерела живлення послідовно за постійним струмом, але їхні входи і виходи з'єднані паралельно за напругою сигналу. Для спрощення схеми кола забезпечення положення РТ на рис. 5.17, а не показано.

Під дією змінної напруги на вході через навантаження R_H проходитиме змінний струм і , який дорівнює різниці змінних складових колекторних струмів транзисторів VТ1 і VТ2:

(5.25)

Це зумовлено тим, що позитивна півхвиля вхідної напруги, підведена до бази транзистора структури п-р-п, діє на базі транзистора структури p-п-р як негативна півхвиля і навпаки, тобто схема підсилювача на комплементарних транзисторах не потребує спеціальних фазоінверсних каскадів. Амплітуда змінної складової струму в навантаженні при повній симетрії схеми приблизно дорівнює подвійній амплітуді колекторного струму кожного транзистора.

Основним недоліком розглянутої схеми є труднощі підбору різнотипових симетричних транзисторів великої потужності. Тому частіше застосовують схеми, в яких у вихідному каскаді підсилювача потужності встановлюють однакові транзистори, а протифазні напруги сигналу подають на них з фазоінверсного каскаду, побудованого на комплементарній малопотужній парі. Принципову схему такого підсилювача показано на рис. 5.18.

Р ис. 5.17. Спрощена принципова схема двотактного підсилювача потужності на комплементарній парі транзисторів (а) і діаграми, що ілюструють її роботу в режимах А (б) і В (в)

З підсилювача напруги сигнал по дається на входи транзисторів VТ1 і VТ2, навантаженнями яких є резистори RЗ та R4. Напруги на базах цих транзисторів створюються за допомогою резисторів К1 і КК2. Терморезистор КК2 забезпечує температурну стабілізацію режиму роботи підсилювача зміною напруги на базах при зміні температури, для чого резистор RК2 має механічний та тепловий контакти з радіатором вихідних транзисторів. Замість терморезистора можна застосувати один або кілька (це залежить від того, який режим — В чи А В здійснено в схемі) кремнієвих діодів, увімкнених послідовно в прямому напрямку.

Рис. 5.18. Принципова схема підсилювача потужності з фазоінверсним каскадом

З резисторів R3 та R4 знімаються напруги сигналів (з однаковими амплітудами і протилежними фазами), які подаються на входи транзисторів VТЗ тa VT4 двотактного вихідного каскаду, опір навантаження якого R_н через роздільний конденсатор С2 дуже великої ємності приєднано до середньої точки схеми. Цей конденсатор запобігає проходженню постійних складових струмів через навантаження. Проходження ж змінних складових показано на схемі: коли діє негативна півхвиля сигналу, через відкритий транзистор VТЗ конденсатор С2 заряджається струмом і₁, а під час дії позитивної півхвилі транзистор VТЗ прикривається і конденсатор С2 розряджається струмом і₂ через відкритий транзистор VТ4. Завдяки постійним складовим струмів на резисторах R3 та R4 утворюються напруги, що забезпечують у вихідних транзисторах режим АВ.