Лекция № 8.

Усилители мощности

Обратные связи в усилительных каскадах.

Каскодные схемы.

План

1. Введение.

2. Усилители мощности

3. Обратные связи в усилительных каскадах

4. Каскодные схемы.

1. Введение.

В этой лекции мы рассмотрим несколько тем, но все они связаны между собой тем, что все относятся к основам аналоговой схемотехники.

2. Усилители мощности.

Тема «Усилители мощности» выделена в программе для самостоятельного обучения, но особенности этого типа усилителей мы проработаем вместе.

Усилители мощности ─ это выходные усилительные каскады многокаскадного усилителя в электронных устройствах. При проектировании усилителя мощности на первый план выдвигаются два параметра ─ КПД (коэффициент полезного действия) и уровень нелинейных искажений, который оценивается коэффициентом нелинейных искажений.

КПД оценивается отношением полезной мощности (выделенной в нагруке) к затраченной (потребляемой от источника).

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) ─ это корень квадратный из отношения суммарной мощности высших гармоник на выходе усилителя к мощности первой гармоники. Если сопротивление нагрузки одинаково для всех гармоник, то мощности пропорциональны квадратам токов или напряжений. В этом случае коэффициент нелинейных искажений можно выразить таким образом

где m ─ номер гармоники, начиная со второй.

Допустимое значение КНИ определяется конкретными требованиями к определённой электронной аппаратуре. КНИ можно оценить по известной передаточной характеристике (графически), или же экспериментально с помощью специального измерительного прибора.

Основная задача, которую ставит перед собой разработчик усилителей мощности, ─ обеспечить необходимую мощность и передать её в нагрузку. Поэтому, в какой-то степени, усилитель мощности ─ это пример силовой электроники. Но реальный усилитель мощности, в первую очередь, ─ это устройство информативной электроники: в таких устройствах основная задача ─ снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства ещё приемлема. И лишь во вторую ─ устройство, которое содержит элементы и силовой электроники: в таких устройствах такую задачу ставить нельзя. При проектировании схем усилителей мощности следует помнить об этом различии.

К величине коэффициента усиления по напряжению особых требований нет: как правило, он чуть больше единицы. Усиление мощности происходит за счёт усиления по току.

Рис.8.1.

Рис.8.2

В выходных усилителях мощности должны использоваться каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые в схему цепи ООС должны быть только по напряжению. По этой причине схемы усилителей мощности строятся по двухтактным схемам. Такие схемы дают хороший выигрыш и по мощности. На рис.8.1 дана схема двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах, работающего в режиме кл.«В», а на рис.8.2 усилитель, поставленный в режим кл.«АВ».

Такие усилители находят большее применение, чем с трансформаторным выходом: там, где трансформатор на первое место выходит проблема габаритов и веса устройства в целом. Поэтому мы будем рассматривать только бестрансформаторный усилитель мощности (рис.8.1 и рис.8.2). Эти схемы можно назвать комплементарными эмиттерными повторителями. В схемах усилителей используются комплементарные пары: транзисторы VT₁ и VT₂ имеют разную структуру.

Транзисторы в схеме на рис.8.1 поставлены в режим кл. «В» (смещение не задано). Рассмотри работу усилителя мощности по схеме на рис.8.1. в этом режиме

Когда на входе действует положительная полуволна синусоидального сигнала, то в режим усиления вступает транзистор VT₁, а транзистор VT₂ ─ в режим отсечки. При действии отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Входные ВАХ транзистора носят нелинейный характер (лекция №3, рис.3.2а), поэтому выходной сигнал будет с искажениями. В идеальном случае максимально возможная амплитуда напряжения на выходе U_вых = Е_к, а потому максимально возможная мощность, выделенная в нагрузке в идеальном случае

При такой максимальной мощности в нагрузке усилитель потребляет мощность от источника питания

Определим КПД усилителя мощности

В режиме кл. «В» в схеме не задана РТ (угол отсечки тока коллектора в этом режиме равен 90⁰). В этом режиме хороший КПД, но большой уровень нелинейных искажений. Чтобы уменьшить нелинейные искажения в выходном сигнале, изначально задают небольшое напряжение смещения и, таким образом, переводят усилитель в режим кл. «АВ» (рис.8.2). В режиме кл. «АВ» нелинейные искажения уменьшаются, но несколько уменьшается и КПД усилителя.

В схеме усилителя (рис.8.2) применяются цепи смещения ─ резисторы R_см1, R_см2 совместно с диодами VD₁ и VD₂ образуют нелинейные делители напряжения. Диоды в данном случае обеспечивают дополнительную стабилизацию параметров усилителя в режиме покоя.

Транзисторы VT₁ и VT₂ в усилителе включены по схеме эмиттерного повторителя, тем самым, обеспечивая усилителю малое выходное сопротивление.

КПД усилителя определяется по формуле

где

U_{вых.макс} и I_{вых.макс} ─ амплитуды напряжения и тока в нагрузке;

I_ср ─ среднее значение тока каждого транзистора.

. Рис.8.3.

При проектировании усилителей мощности нередко в качестве выходных используют схемы составных транзисторов как одинаковой, так и разной проводимости. Это позволяет существенно уменьшить мощность предвыходного усилителя, а это положительно сказывается на параметрах всего электронного устройства.

Эти принципы используются и при проектировании усилителей мощности на полевых транзисторах (рис.8.3). От усилителей мощности на биполярных транзисторах такие схемы отличаются меньшим уровнем нелинейных искажений и большой температурной устойчивостью.