8.4 Мощные усилительные каскады (усилители мощности)

Усилителями мощности называют усилители предназначенные для обеспечения заданной мощности нагрузки P_Н при заданном сопротивлении нагрузки R_H. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала.

Уровень нелинейных искажений и коэффициент полезного действия (КПД) усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала.

Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме классов В или АВ.

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые – в режиме классов В и АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

К простейшим однотактным усилителям мощности относят схему с общим коллектором, называемую эмиттерным повторителем. На рис. 8.18 а) приведена простейшая схема такого повторителя, а на рисунке 8.18 б) его эквивалентная схема для области средних частот.

Рис.8.18. Схемы эмиттерного повторителя на транзисторе р-n-р типа

Для этой схемы входное сопротивление определяется выражением

В практических схемах R_вх достигает величины 200-300 кОм, при R_э10кОм в режиме холостого хода и зависит от величины сопротивления нагрузки. Для достижения хорошей температурной стабилизации желательно, чтобы R₁||R₂R_э, но в то же время для увеличения R_вх необходимо что бы R₁|| R₂>R_вх.

Поэтому в ряде случаев необходимо либо использовать непосредственную связь с источником входного сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной обратной связи.

Выходное сопротивление может быть определено в соответствии с выражением

При достаточно большой величине h₂₁ и низкоомном источнике входного сигнала R_вых  r_э. В наиболее распространенных схемах R_вых лежит в пределах 100 200 Ом.

Путем включения эмиттерного повторителя можно согласовывать высокоомные каскады с низкоомными.

Коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

,

обычно К_u находится в пределах 0.9  0.9995.

Коэффициент усиления по току значителен и в пределе стремиться к значению К_i  1+h_21э.

За счет большого усиления по току происходит усиление по мощности.

Рассмотрим более подробно характеристики эмиттерного повторителя как усилителя мощности на примере схемы представленной на рис. 8.19.

Рис.8.19. Вариант схемы эмиттерного повторителя на транзисторе n-p-n типа

В этой схеме ток в нагрузке достигает максимального отрицательного значения, когда ток через транзистор будет равен нулю. В этом случае выходное напряжение определяется выражением

.

Если выходной сигнал представляет собой неискаженное синусоидальное напряжение со средним значением, равным 0В, его амплитуда не будут превышать величины U_{н мах}, которая определяется соотношением

.

Это соотношение получается из эквивалентной схемы учитывающий, что транзистор находится в состоянии близком к насыщению, когда падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер намного меньше Е_П. При этом через малое сопротивление источников Е_П сопротивления R_э и R_н включаются параллельно.

Мощность в нагрузке при максимальной амплитуде U_{н мах} определяется соотношением

.

Для определения максимальной мощности в нагрузке необходимо решить дифференциальное уравнение вида

откуда следует, что R_н = R_э, тогда

.

Можно показать, что суммарная мощность, потребляемая схемой рис. 8.19, складывающаяся из мощностей рассеиваемых на транзисторе и на сопротивлениях R_н и R_э определяется соотношением

.

Тогда коэффициент полезного действия для схемы, показанной на рис. 8.19 определяется выражением

.

Таким образом, рассматриваемая схема обладает малым КПД, что является ее основным недостатком.

Существенно большей мощности в нагрузке и более высокого коэффициента полезного действия можно достигнуть, заменив резистор R_э дополнительным эмиттерным повторителем, так как это показано на рис. 8.20.

Рис.8.20. Двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме В

При положительных входных сигналах транзистор VT1 работает в режиме повторителя, а транзистор VT2 заперт. При отрицательных входных напряжениях наоборот. То есть транзисторы работают в режиме В попеременно, каждый в течении одного полупериода входного напряжения. При U_г=0 оба транзистора заперты, обеспечивая малый ток покоя.

Выходное напряжение на нагрузке U_н может приближаться к величинам Е_п и практически не зависит от величины R_н. Разность между входным и выходным напряжением определяется напряжением база-эмиттер открытого транзистора. То есть U_н  U_г.

Учитывая, что для рассматриваемого усилителя максимально возможная амплитуда напряжения U_m на нагрузке может достигать величины Е_п, то для синусоидального входного сигнала максимальная мощность отдаваемая в нагрузку может быть определена по формуле:

.

От источника питания, схема представленная на рис.8.20, потребляет мощность:

Тогда КПД усилителя достигает величины:

Недостатком такой схемы является то, что для входных напряжений близких к нулю существенную роль в передаче входного сигнала на выход будут иметь нелинейные участки характеристик используемых транзисторов,

что приведет к появлению соответствующих нелинейных искажений. Для уменьшения этих искажений создают некоторые начальные смещения на входах транзисторов, переводя их в режим класса АВ. Существует множество вариантов схем задания начальных смещений, один из которых представлен на рис. 8.21.

Рис.8.21. Двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме АВ

В этом варианте напряжение смещения формируется диодами VD1 и VD2.

Поскольку в приведенных схемах коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, то для усиления малых сигналов используются схемы предварительного усиления по напряжению.

Если по каким-либо причинам используемое напряжение питания не может обеспечить заданной выходной мощности усилителя, используют трансформаторные усилители мощности со схемотехникой которых можно ознакомиться в соответствующей литературе.