3. Усилители мощности
3.1. Усилители мощности. Состав усилителя, назначение элементов. Основные характеристики и параметры усилителя.
Усилитель мощности (УМ) – это четырехполюсник, на вход которого
поступают электромагнитные колебания частоты f мощностью Pвх, а на выходе
мощность колебаний Pвых > Pвх при сохранении частоты.
Входная мощность колебаний увеличивается за счет преобразования энергии
постоянного электрического поля источника питания Uo в энергию колебаний.
Состав усилителя мощности
Основным элементом УМ является активный элемент, способный
осуществлять такое преобразование. В качестве активного элемента в
микроэлектронных передатчиках и приемниках применяют транзисторы (полевые
или биполярные).
Современные усилители мощности выполняют в виде микросхем, на вход
которых поступают колебания от источника с стандартным внутренним
сопротивлением Rист и стандартным сопротивлением нагрузки Rн.
Для наиболее полной передачи мощности входного источника к
транзистору требуется согласовать входной импеданс транзистора с внутренним
сопротивлением источника колебаний. С этой целью в состав усилителя включают
входную согласующую цепь.
Кроме перечисленных устройств в состав УМ входят элементы,
разделяющие постоянный и переменный токи. Как правило, это емкости,
индуктивности или отрезки передающих линий.
Итак, основной состав усилителя мощности:
- активный элемент,
- цепи питания и смещения,
- входная и выходная согласующие цепи.
Основные характеристики и параметры усилителя:
А. Максимальная выходная мощность.
Б. Полоса пропускания усилителя.
В. Коэффициент
усиления мощности.
Г. Коэффициент
полезного действия добавленной мощности
(Power Added Efficiency – PAE).
Д. Коэффициент шума N. Коэффициент шума определяется при подаче на вход усилителя шумовых колебаний мощностью Pш вх и оценивается разницей (в дБм) мощностей выходного шума реального Pш вых и идеального, нешумящего, усилителя:
Е. Показатели нелинейности усилителя.
3.2. Режимы работы транзистора с отсечкой выходного тока и гармоническим выходным напряжением. Классы усилителей. Величина угла отсечки для получения максимальной а) выходной мощности, б) коэффициента усиления мощности, в) коэффициента полезного действия.
Различают четыре основных режима работы транзистора, по классам:
- Класс А: Режим работы транзистора без отсечки тока, с минимальными нелинейными искажениями сигнала. Для обеспечения работы режима А на вход транзистора подаётся постоянное смещение напряжение, при котором рабочая точка О занимает положение, соответствующее середине линейного участка работы транзистора. Этот режим широко используется в схемах усилителей напряжения, однако КПД каскада работающего в режиме класса А, относительно мал. Максимальный КПД меньше 25%.
- Класс B:
При работе транзистора в режиме класса В, постоянное смещение напряжение на базе отсутствует и точка покоя О лежим в области небольших токов коллектора, которыми можно пренебречь. Потому в режиме В ток через усилительный элемент протекает только в течении половины периода сигнала. т.е. УЭ работает с отсечкой тока. Угол соответствующий половине интервала в течении которого протекает ток называется углом отсечки, соответственно угол отсечки в режиме класса В составляет 90 градусов. КПД составляет примерно 78%. Нелинейные искажения гораздо выше чем в режиме А, так как используется весь рабочий диапазон токов и напряжений транзистора.
- Класс АВ: Чтобы исключить искажения выходного сигнала в области малых значений применяют режим АВ, в котором на базу транзистора подаётся небольшое напряжение, при котором точка покоя О занимает начальное положение в линейной области работы транзистора, но при этом через транзисторы в отсутствие сигнала протекает небольшой ток. КПД при этом практически не изменяется по сравнению с классом В, но нелинейные искажения уменьшаются в несколько раз.
- Класс С: Если подается напряжение смещения запирающее усилительный элемент, такой режим называется режимом класса С. Угол отсечки в таком режиме меньше 90 градусов, нелинейные искажение выше, а КПД больше чем в классе В. Режим класса С применяется в основном в схемах резонансных усилителей, где нелинейные искажения устраняются резонансным нагрузочным контуром.
- Режим Д (ДА-НЕТ)
В данном режиме работы ток периодически изменяется от нуля до максимального значения, напоминая меандр и используется в коммутационных схемах.
При работе с отсечкой тока КПД стремится к 100% при уменьшении угла отсечки
При работе с отсечкой тока выходная мощность увеличивается при увеличении угла отсечки, наибольшая мощность соответствует углу в 180 градусов (то есть при работе без отсечки). Можно показать , что при желании определить максимально достижимую выходную мощность, отдаваемую транзистором, есть возможность установить оптимальную амплитуду входного напряжения Uб. В этом случае, максимальная выходная мощность колебаний первой гармоники достигается при угле отсечки θ = 120 градусов.
Максимальный коэффициент усиления на заданной частоте колебаний может быть получен при условиях:
- угол отсечки коллекторного тока θ = 180 градусов ,
- сопротивление нагрузки транзистора Rк соответствует граничному режиму
работы,
- минимальная длина базы,
- минимальная индуктивность вывода транзистора, общего для входной и
выходной цепи.
3.3. Напряженность режима работы транзистора. Сравнение выходной мощности и КПД транзистора, а также, рассеиваемой мощности в недонапряженном и перенапряженном режимах работы. Способ установления и изменения напряженности режима. Условие существования граничного режима работы.
Режим работы характеризуется напряженностью, а напряженность – той точкой ВАХ, в которой формируется вершина импульса коллекторного тока.
По степени напряженности режимы работы делятся на недонапряженный, критический и перенапряженный. Недонапряженный режим реализуется при таких нагрузках и напряжениях возбуждения, когда напряжение на коллекторе в любую часть периода усиливаемого сигнала остается все время выше напряжения насыщения транзистора.
Если коллекторный ток находится на линии критического режима, то режим – критический (граничный). Амплитуда коллекторного тока слегка уменьшается, вершина уплощается.
Если А находится на ЛКР, но низко, то режим – перенапряженный, появляется провал в вершине импульса в тот момент, когда коллекторный переход открыт внешним воздействием.
Дополнительным условием существования граничного режима считается равенство нулю напряжения между коллектором и базой транзистора Uкб=0.