5.6.Усилители мощности.

В усилителях мощности важное значение имеют коэффициент полезного действия, обеспечение максимальной мощности при существующих транзисторах и подавление высокочастотных гармоник в спектре выходного сигнала в нелинейных режимах работы.

Для уменьшения потерь мощности в коллекторную цепь вместо активного сопротивления ставится трансформатор с нагрузкой во вторичной нагрузке. Тогда в качестве коллекторного сопротивления играет роль сопротивление нагрузки, пересчитанное как квадрат коэффициента трансформации, чем достигается согласование нагрузки с усилителем. На рис. 5.16 (а) приведена схема однотактного каскада усилителя мощности.

Рис.5.16. Усилитель мощности:

(а) однотактный каскад, (б) двухтактный каскад.

КПД однотактного каскада в линейном режиме не может превышать 50 %, так как мощность в колебательном режиме равна половине произведения амплитуд тока и напряжения и не могут превосходить постоянных токов и напряжения источника питания.

На рис. 5.16 (б) приведена схема двухтактного фазоинверсного каскада, где один транзистор работает на одном полупериоде входного напряжения, второй транзистор - на другом полупериоде. Это позволяет сохранить линейность усиления при положениях рабочих точек транзисторов близком к нулю, что повышает КПД до 78.5 %. Каждый транзистор имеет половинную мощность нагрузки. Кроме тог, уровень нелинейных искажений в двухтактном усилителе мощности снижется благодаря компенсации четных гармоник, которые не суммируются, а вычитаются в плечах транзисторов.

5.7. Дифференциальный усилитель.

Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух сигналов и представляет собой балансную симметричную схему (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Схема дифференциального усилителя.

Если схема полностью симметрична, то U_вых=K_p(U_вх2 – U_вх1), где K_p=K₁=K₂ – коэффициент усиления ДУ, K₁ и K₂ - коэффициенты усиления усилителей, т.е. пропорциональна разности входных сигналов. Однако реальные транзисторы не могут быть полностью одинаковыми и усилители в дифференциальном каскаде не полностью идентичны. Поэтому выходной сигнал зависит не только от разности, но от суммы входных сигналов. Действительно, пусть K₁= K₂ + K_с, тогда U_вых= K₁U_вх1 – K₂U_вх2 = K_p(U_вх2 – U_вх1) + K_с(U_вх2 + U_вх1), где K_p= K₁ – K_с/2 = K₂ + K_с/2, K_с = K₁ – K₂ – коэффициент усиления синфазного сигнала.

ДУ характеризуется коэффициентом подавления синфазного сигнала =K_p/ K_с, который должен быть большой (10⁴10⁵), и это не может быть обеспечено только идентичностью транзисторов. Высокие значения  достигаются введением в схему большого общего эмиттерного сопротивления R_Э (рис.5.17).

Влияние R_Э на симметрию схемы может быть проанализировано следующим образом. По первому закону Кирхгофа сумма токов в цепях эмиттеров обоих транзисторов равны току через общее сопротивление R_Э (рис.5.17):

(5.18),

то есть для изменений этих токов, обусловленного подачей переменных входных сигналов на оба каскада, можно записать

(5.19).

Если общий ток I_Э меняется слабо, то i_Э1  -i_Э2 и изменения тока одного каскада приведено к противоположному изменению тока другого, т.е. транзисторы работают одновременно, что реализует полную симметрию схемы. В идеале I_Э = 0 при R_Э, т.е. цепь эмиттера разомкнута, но коэффициент усиления обоих каскадов при этом будет равен нулю. Таким образом, увеличение R_Э делает схему ДУ более симметричной, но при этом падает коэффициент усиления.

Часто вместо сопротивления R_Э в схему ДУ включают транзистор с сопротивлением в цепи своего эмиттера и постоянным питанием базы (рис.5.18). Эта замена позволяет при той же допустимой величине постоянного тока получить на 1-2 порядка большое сопротивление по переменному току.

Рис. 5.18. Замена активного сопротивления эмиттера на транзистор с постоянным питанием базы.

В настоящее время ДУ изготавливают в виде общей интегральной микросхемы, что кроме габаритных преимуществ, дает возможность создавать транзисторы по одинаковой технологии, располагая их близко к друг другу, с близкими параметрами.