Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 25 Однотактные оконечные каскады усиления

25 Однотактные оконечные каскады усиления

Задачей усилителя мощности (УМ) является формирование в резистивной нагрузке R_н по возможности большей сигнальной мощности в условиях, когда уровень нелинейных искажений не превысит заданного значения. Обычно возможности получения предельного значения сигнальной мощности Р_{вых max} рассматривается применительно к колебаниям, симметричным по отклонениям, например, сигналам синусоидальной формы. Такие сигналы имеют одинаковые предельные отклонения как в область положительных, так и в область отрицательных значений, в результате чего имеют нулевое среднее значение.

Уровень предельно допустимых нелинейных искажений характеризуют c помощью номинального значения к_{г ном} коэффициента гармоник к_г. Максимальное значение выходной мощности, при котором уровень нелинейных искажений достигает номинального значения к_{г ном}, называется номинальной выходной мощностью Р_ном. Попытка сформировать на выходе данного УМ мощность большую, чем Р_ном приводит к появлению нелинейных искажений с коэффициентом гармоник большим, чем к_г ном.

К каскадам усиления мощности предъявляются повышенные требования по обеспечению максимально возможного КПД. Связано это не только с необходимостью снижения энергопотребления, а с тем, что повышение КПД минимизирует мощность Р_t, выделяемую в УП в виде тепла, т.к. согласно соотношению Р_t = Р_с(1 – ) при приближении КПД  к единичному значению выделение этой тепловой мощности при данной выходной сигнальной мощности Р_с становится пренебрежимо малым. Снижение мощности Р_t, в свою очередь, позволят уменьшить габариты теплоотводящих элементов и, соответственно, габариты усилителя в целом, обеспечивает возможность формирования большей выходной мощности с помощью транзистора, имеющего меньшее значение предельно допустимой мощности Р_t max.

К основным проблемам, решаемым разработчиком в ходе проектирования схемного построения УМ, следует отнести обеспечение условий, при которых с помощью данного УП можно создать максимально возможную мгновенную сигнальную мощность р_{вых max}. В качестве главного фактора, препятствующем этому, выступает ограниченная протяженность усилительной области УП, связанная с недопустимостью возникновения выходных напряжений и токов в транзисторе, больших некоторых предельно допустимых значений I_вых max и U_{вых max}. Поэтому усилительный прибор может сформировать в цепи нагрузки R_н лишь ограниченные предельные сигнальные изменения I_вых max и U_вых max (рисунок 1) тока и напряжения, где I_вых max = I_вых max ‑ I_нач; U_вых max = U_вых max ‑ U_нач.

Рисунок 1. Выбор оптимального сопротивления нагрузки

Рассмотрим условия, при которых УП, работающей в линейном режиме, способен создать во внешней резистивной нагрузке R_н наибольшую мгновенную сигнальную мощность, под которой будем понимать р_вых = I_вых U_вых Воспользуемся геометрической интерпретацией последнего соотношения, представив правую часть его как удвоенное значение площади S_ прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является линия нагрузочной характеристики, а в роли катетов выступают ток I_вых и напряжение ΔU_вых. Этот треугольник называется треугольником мощности.

Чем больше площадь треугольника мощности, тем большую мощность р_вых  способен отдать транзистор во внешнюю цепь. С точки же зрения неискаженного воспроизведения сигнала в условиях допустимого уровня изменений токов и напряжений в транзисторе, протяженность и положение отрезков ΔI_вых и ΔU_вых должно приходиться на усилительную область выходных характеристик УП.

Из всего сказанного следует, что для того, чтобы определить условия, при которых транзистор обеспечивает наибольшее значение мощности р_вых без выхода РТ за пределы усилительной области ВАХ, необходимо вписать в эту область треугольник мощности с наибольшей площадью , например, как это показано на рисунке 1.

Очевидно, что мгновенное значение выходной сигнальной мощности на резистивной нагрузке не может превзойти величины, определяемой соотношением:

р_{вых max} = I_{вых max} ^. U_{вых max},

при этом значения I_{вых max}^. и U_{вых max} связаны соотношением

I_{вых max} = U_{вых max} / R_{н opt},

где R_{н opt} – оптимальное значение сопротивления R_н, соответствующее нагрузочной характеристике 1 на рисунке 1. При значениях сопротивления R_н, больших R_н opt (нагрузочная характеристика 2) усилительный прибор недоиспользуется по току, при меньших (нагрузочная характеристика 3) – по напряжению.

Пример 1. Определить, какую наибольшую среднюю сигнальную мощность Р_~ и при каких условиях можно получить от транзистора, у которого I_кmax = 0,3 А; U_кэmax = 30 В. Транзистор работает в режиме А, а подлежащие усилению сигналы имеют синусоидальную форму, в результате чего Р_~ = I_m U_m / 2, где I_m, U_m – амплитудное значение тока и напряжения на нагрузке R_н. При вычислениях значением начального тока пренебречь, считая I_нач = 0.

Решение.

1. Для обеспечения полного использования транзистора по току при усилении сигналов синусоидальной формы необходимо, чтобы

I_к0 = I_кmax /2 = 0,3 /2 = 0,15 А

при этом, транзистор обеспечивает возможность получения сигнального тока с амплитудой

I_m max = I_вых max /2 = 0,3 /2 = 0,15 А.

2. Считая, что r_нас = 3 / I_К max = 3 / 0,3 = 10 Ом, вычислим в значение напряжения U_нач, отвечающее наибольшему значению I_кmax тока коллектора I_к

U_нач = r_нас I_кmax = 10 0,3 = 3 В.

3. Для обеспечения полного использования транзистора по напряжению при усилении сигналов синусоидальной формы необходимо, чтобы

U_кэ0 (U_{кэ max} + U_нач) / 2 = (30 + 3) / 2 =16,5 В.

при этом транзистор обеспечивает возможность получения сигнального напряжения с амплитудой

U_{m max} = (U_{кэ max} – U_нач) / 2 = (30 – 3) / 2 = 13,5 В.

4. Вычисляем искомое значение мощности P_~

P_~max = I_m max U_{m max} / 2 = 0,15 13,5 / 2 1 Вт.

Такую мощность способен отдать транзистор в резистивную нагрузку, если она имеет

R_{н opt} = (U_{вых max} – U_нач) / I_вых max = (30 – 3) / 0,3 = 90 Ом.

5. Определим требования к транзистору с точки зрения значения мощности Р_{t max}

Р_{t max} I_К0 U_КЭ0 = 0,15 16,5 2 Вт.

Следует отметить, что условие получения максимально возможного значения мощности р_{вых max} обычно не совпадает с условием согласования сопротивления нагрузки R_н  с выходным сопротивлением источника сигнала, т. е. с условием R_н = R_вых, где R_вых – выходное сопротивление усилителя мощности. Это условие согласования обеспечивает максимально возможное значение выходной мощности Р_вых только при идеальных источниках тока или напряжения, т. е. источниках, не имеющих ограничений, как по возможным значениям выходного тока, так и выходного напряжения.

В ряде случаев в качестве фактора, ограничивающего мощность р_вых max, выступает предельно допустимое значение средней тепловой мощности Р_{t max}. В этих случаях рекомендуется значение R_нopt выбирать таким образом, чтобы линия нагрузочной характеристики являлась касательной к линии, ограничивающей усилительную область по параметру Р_{t max}. Такой принцип выбора значения R_нopt гарантирует отсутствие недопустимого теплового режима работы УП при любой форме усиливаемого сигнала и длительности его воздействия.

Часто фактическое сопротивление нагрузки R_н отличается от оптимального значения R_нopt. В этом случае для получения максимальной сигнальной мощности в нагрузке R_н ее подключают к выходной цепи УП через согласующий трансформатор. Требуемый коэффициент трансформации может быть вычислен с помощью формулы

, (1)

где N = w₁ / w₂– коэффициент трансформации; w₁ – число витков обмотки трансформатора, включенной в выходную цепь УП; w₂ - число витков обмотки трансформатора, к которой подключена нагрузка R_н; _тр - коэффициент полезного действия трансформатора, учитывающий потери сигнальной мощности в нем. Обычно значение _тр лежат в пределах от 0,8 до 0,95, при этом меньшие значения _тр соответствуют трансформаторным УМ с пониженной выходной мощностью, не превышающей 1 Вт.

Пример 2. Определить, какой коэффициент трансформации должен иметь трансформатор для того, чтобы при сопротивлении нагрузки R_н = 8 Ом, подключенной к его вторичной обмотке w₂, он обеспечивал требуемое в рассмотренном в примере 1 случае оптимальное значение сопротивления нагрузки R_~opt = 90 Ом?

Решение: В соответствии с (1), считая, что η_тр = 0,8, получаем

.

Возможность получения наибольшего значения сигнальной мощности в первую очередь связана с выбором тока покоя, при котором УП способен обеспечить наибольший размах сигнальных изменений по току I_{вых max} и напряжению U_{вых max} при допустимом уроне нелинейных искажений. В ходе проектирования в качестве ключевой проблемы выступает проблема выбора режима работы УП. При этом также учитывают, что усилитель может иметь как однотактное, так и двухтактное построение.

Однотактные каскады усиления мощности

При усилении сигналов знакопеременного характера, например, синусоидального, схемное построение усилителя должно обеспечить возможность формирования на его выходе как положительных, так и отрицательных мгновенных значений сигнального напряжения. Это достигается за счет использование режима А работы УП. При этом режиме работы возможны как понижение, так и повышение падения напряжения на сопротивлении нагрузки за счет соответствующего повышения или понижения тока i_вых по сравнению с исходным его значением I_вых0. При симметричном знакопеременном сигнале (например, синусоидальном) наибольшему значению выходной сигнальной мощности р_{вых max} соответствует положение ИРТ в середине линейной части СПХ, т. е. значение тока покоя I_вых0 = (I_вых max ‑ I_нач) / 2.

Следует отметить, что использование режима «А» в усилителях мощности не может обеспечить возможность получения в УМ высокого КПД, особенно при усилении сигналов с большим динамическим диапазоном, например, речевых и музыкальных программ. К предельно достижимому значению КПД в режиме «А» можно приблизиться только при формировании предельных значений выходной мощности в условиях работы с сигналами, имеющими невысокое значение пикфактора, например, синусоидальными. Данное обстоятельство иллюстрирует рисунок 2, на котором отображена зависимость КПД _А от коэффициента использования транзистора по току  = I_{вых m}/ I_вых0, где I_{вых m}, – амплитуда сигнального тока в нагрузке R_н; I_вых0 – ток покоя в выходной цепи транзистора. При трансформаторном подключении нагрузки к транзистору и синусоидальном сигнале _А = ²/2. При режиме А предельное значение параметра  приближается к единице, но не может превзойти это значение. Поэтому в режиме А предельное значение параметра _А не превосходит 50 %. Следует отметить, что к этому пределу значения _А можно приблизиться только в условиях формирования сигналов предельной интенсивности, соответствующих значениям   1. В подавляющем большинстве случаев УМ работает с сигналами, у которых среднее значение  существенно меньше единицы. Вследствие этого среднее значение КПД оказывается на порядок и меньше предельного значения 50%, особенно при работе с сигналами, имеющими большое значение пик-фактора, например, – при усилении аудио сигналов.

Рисунок 2. Зависимость КПД от коэффициента использования транзистора по току для усилителя класса А.

С точки зрения схемного построения однотактные схемы ни чем не отличаются от рассмотренных ранее схемных построений. В них может быть применено как непосредственное включение нагрузки в выходную цепь УП, так и ее подключение через разделительный конденсатор или с помощью трансформатора (рисунок 3).

Рисунок 3. Схемы выходных каскадов в классе А

Следует также отметить, что при режиме А одинаковые по значению входные сигнальные отклонения от ИРТ в «+» и в «–» создают неодинаковые сигнальные изменения тока на выходе. Обусловлено это тем, что СПХ (рис. 1.13) имеет монотонно изменяющейся характер. При таком характере СПХ наблюдается повышенный уровень нелинейных искажений, обусловленный возникновением высокого уровня четных гармоник. В результате в усилителе мощности с помощью данного транзистора оказывается затруднительным создание заданного уровня неискаженной сигнальной мощности.

Следует также отметить, что при асимметричном характере сигнальной СПХ возникает эффект «сползания» ИРТ, обусловленный появлением дополнительной постоянной составляющей как результата нелинейного преобразования усиливаемого сигнала электронной цепью с нелинейной передаточной характеристикой. Вследствие этого положение ИРТ оказывается зависимым от уровня сигнала в предшествующие моменты времени, а усиление сигнала сопровождается дополнительным переходным процессом как реакции усилителя переменных сигналов на образования дополнительной постоянной составляющей. Поэтому значение сигнала на выходе усилителя определяется не только текущим его значением на входе, но и свойствами сигнала в предшествующие моменты времени. Проявление указанного эффекта можно назвать эффектом последействия, при проявлении которого текущее значение сигнала на выходе определяется не только его значением на входе в данный момент, но и от характера его изменений в предшествующие моменты времени.

Эффект последействия в меньшей степени проявляется в трактах типа УПТ, а также в трактах, построенных по двухтактному принципу организации процесса усиления.