Мощные выходные каскады

Усилители мощности (УМ) предназначены для создания требуемой мощности сигнала в нагрузке. Выходные каскады, потребляющие энергию от источника электропитания и передающие ее в нагрузку, практически определяют экономичность всего усилительного устройства и должны иметь высокий коэффициент полезного действия (КПД). Иными словами, потери мощности в каскаде, рассеиваемые в виде тепла, должны быть минимальными для уменьшения размеров поверхности теплоотвода, которая непосредственно связана с габаритами изделия.

Для повышения КПД режим работы выбирают таким, чтобы путем увеличения амплитуд напряжения и тока сигнала максимально использовать параметры источника электропитания. В отличие от линейных каскадов, работающих со сравнительно малыми уровнями сигналов в усилителе мощности применяются близкие к предельным режимы работы, захватывающие нелинейную область характеристик транзистора. Это приводит к возникновению нелинейных искажений сигнала, которые возрастают с увеличением амплитуды сигнала. Таким образом, меры по повышению КПД каскада приводят к увеличению нелинейных искажений усиливаемых сигналов.

Кроме того, часто требуется иметь усилитель со сравнительно небольшим изменением выходного напряжения при вариации тока нагрузки, что обеспечивается при малом выходном сопротивлении каскада.

В качестве усилителя мощности при большом уровне входного напряжения целесообразно использовать схему эмиттерного повторителя ЭП (рис.3.9,а), имеющего большой линейный участок проходной характеристики.

Рис.3.9. Усилители мощности: на эмиттерном повторителе (а) и его характеристика (б), на комплементарной паре (в) и его характеристика (г), с компенсацией искажений (д)

Переходную характеристику ЭП можно аппроксимировать тремя участками (рис.3.9,б). При входном напряжении не превышающем уровень отпирания транзистора u_вх  U ^* эмиттерный ток можно считать нулевым и u_вых  0. Переход транзистора в активный режим при u_вх  U ^* дает пропорциональную зависимость u_вых = K ^U u_вх с коэффициентом усиления K ^u  1. Параметры каскада в линейном режиме определяются выражениями:

K ⁱ  β; R_вх  (β+1) R_э; r_вых  r_э  φ_Т /I_э.

При значении входного напряжения близкого к напряжению источника питания u_вх  V транзистор оказывается в насыщении и характеристика имеет горизонтальный участок u_вых  V u_кэн.

Минимальные искажения при максимальной амплитуде сигнала можно получить, задав рабочую точку в середине линейного участка проходной характеристики. При этом КПД каскада, вычисленное как отношение мощностей выходного сигнала и потребляемой от источника питания  = ₂/ _и , не превышает 25%. Для оценки эффективности каскада с резистивной нагрузкой при синусоидальном сигнале можно воспользоваться очевидными соотношениями: ₂ = U_m I_m /2; _и = VI₀, причем U_m  V/2 ; I_m = I₀.

Подстановка приведенных соотношений в выражение КПД дает значение  = 0,25. В рассмотренном каскаде постоянная составляющая тока эмиттера I₀ практически не зависит от значения переменного сигнала.

Если в рассматриваемом каскаде выбрать режим нулевого тока покоя (рабочая точка находится в начале координат на проходной характеристике), то транзистор пропускает ток только при положительном входном напряжении. При синусоидальном входном сигнале выходное напряжение каскада представляет собой последовательность положительных полуволн, т. е. происходит значительное искажение входного сигнала.

Для существенного повышения КПД с приемлемым уровнем искажений применяется двухтактный усилитель мощности, содержащий комплементарную пару взаимодополняющих транзисторов типа p-n-p и n-p-n, работающих на общую нагрузку (рис.3.9,в). В положительной полуволне синусоидального входного напряжения работает транзистор Т₁ (n-p-n), а Т₂ закрыт. В нагрузке создается положительная полуволна тока, вызванного источником положительного напряжения. Через полупериод Т₁ запирается, а открывается транзистор Т₂ (p-n-p), что приводит к образованию в нагрузке отрицательной полуволны тока за счет источника отрицательного напряжения.

Максимальная амплитуда выходного напряжения близка к напряжению источников питания U_m = V. Постоянная составляющая тока (среднее за период) значение тока, проходящего через транзистор в течение полупериода, определяется соотношением I₀= I_m/π. Удвоив это значение с учетом потребления одинакового тока от положительного и отрицательного источников несложно вычислить КПД комплементарного эмиттерного повторителя  = π/4. Таким образом, двухтактный выходной каскад обеспечивает увеличение КПД примерно втрое по сравнению с однотактным.

Проходная характеристика комплементарного эмиттерного повторителя при нулевых значениях токов покоя транзисторов может быть получена сложением характеристик каскадов на n-p-n и p-n-p транзисторах, т. е. проходной характеристики (рис.3.9,б) с ее отражением относительно начала координат. Вследствие ненулевого напряжения отпирания транзистора U ^* на проходной характеристике в окрестности начала координат имеется горизонтальный участок в форме ступеньки (рис.3.9,г). Наличие нелинейного участка приводит к образованию нелинейных искажений выходного напряжения, возрастающих при уменьшении амплитуды сигнала.

Для компенсации нелинейности на базы транзисторов подаются дополнительные напряжения смещения, равные U ^*. Схемная реализация смещения содержит полупроводниковые диоды D₁, D₂, ваполненные на основе транзисторных структур, и подключенный к источнику резистор R, задающий ток диодов (рис.3.9,д). Транзистор Т₀ служит для подведения к каскаду входного сигнала и выполняет функцию его предварительного усиления.

В некоторых случаях для усиления входного сигнала по напряжению выходной каскад выполняется на комплементарной паре транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером (нагрузкой в цепи коллекторов).