Формула (2.37, а) фактически повторяет общую формулу (2.32) и указывает, что реализуется стабильный Кu ос, но только при постоянном Rг. Формула (2.37, б) указывает, что и здесь реализуется стабильный Кi ос, но только при постоянном Rн. Усилительный каскад (рис. 2.28) удобно использовать в качестве промежуточного каскада в многокаскадном усилителе.

2.5. Усилители мощности

Усилители мощности предназначены для передачи сигналов больших мощностей без искажения в низкоомную нагрузку и обычно являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основная задача усилителя мощности — выделение в нагрузке возможно большей мощности.

Поскольку выходной каскад усилителя мощности работает с большими амплитудами сигналов, то при его анализе вследствие нелинейности ВАХ транзисторов пользоваться малосигнальной эквивалентной схемой нецелесообразно. Обычно в усилителях мощности используют графический (или графоаналитический) метод расчета по входным и выходным характеристикам.

Основные показатели усилителя мощности:

•отдаваемая в нагрузку полезная мощность Pн ;

•коэффициент полезного действия η;

•коэффициент нелинейных искажений Кг ;

•полоса пропускания АЧХ.

Величины η и Кг во многом определяются режимом покоя транзистора — классом усиления. Поэтому рассмотрим классы усиления, используемые в усилителях мощности.

Для всех рассмотренных выше усилителей предполагалось, что они работают в классе А. В режиме класса А выбор рабочей точки покоя (см. рис. 2.7, а) производится таким образом, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора, азначениетокапокояIб0 располагалосьпосерединеэтого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора (см. рис. 2.7, б) классАхарактеренрасположениемрабочейточки(Iк0 иUкэ0) на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где измене-

86

ния тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. Поскольку в режиме класса А работа происходит на почти линейных участках ВАХ, усилитель мощности в этом режиме имеет минимальные нелинейные искажения (Кг ≤ 1 %).

Введем понятие угол отсечки ϕотс— это половина времени на период, в течение которого транзистор открыт, т.е. через него протекает ток. При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии (нет отсечки-тока), следовательно, ϕотс= 180 °. Поскольку потребление мощности происходит в любой момент времени, в усилителе мощности, использующем класс А, имеет место невысокий η< 0,4. Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения, а Рн и η не играют решающей роли.

Мощные варианты выходных каскадов часто используют режим класса В. В классе В Iб0 = 0, (рис. 2.29), т.е. в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источников питания. Транзистор находится в открытом состоянии лишь в течение половины периода входного сигнала, т.е. ϕотс= 90°. Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в усилителях мощности, использующих режим класса В, повышенный η ≈0,7. Класс В применяется в двухтактных устройствах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе компенсируется появлением тока в другом (другом плече устройства). Существенный недостаток режима класса В — высокий уровень иска-

жений( Кг ≥ 10 %).

Класс АВ занимает промежуточное положение между классами А и В; он также применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя здесь транзистор лишь приоткрыт, в нем протекает небольшой ток Iб0 (рис. 2.30), выводящий основную часть рабочей полуволны Uвх на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Угол отсечки в классе АВ достигает 120...130 °. Поскольку Iбо мал, то η здесь выше, чем в классе А, и ближе к классу В. Нелинейные искажения усилителя, использующего класс АВ, относительно невелики (Кг ≤ 3 %).

Для класса С в усилителе имеет место начальное смещение, соответствующее режиму отсечки транзистора, т.е. в режиме покоя транзистор заперт напряжением смещения на базе. В результате ϕотс< 90°. Класс С применяется либо в очень мощных усилителях,

87

гдеосновной фактор — предельно высокий η, а нелинейные искажения несущественны, либо в генераторах или резонансных усилителях (см. гл. 4), где высшие гармоники в выходном сигнале устраняются резонансным контуром.

В мощных транзисторных преобразователях постоянного напряжения применяются автогенераторные устройства, в которых транзисторы работают в режиме класса D. Этот класс определяет ключевой режим работы транзистора: открыт—закрыт (насыщен—за- перт). Работа в режиме класса D осуществляется на прямоугольных импульсах и характеризуется минимальными потерями мощности.

Рассмотрим однотактные усилители мощности, к которым относятсярассмотренныевышекаскадыОЭиОКилиОИиОС, работающие в режиме класса А. Для осуществления хорошего согласования с нагрузкой часто используются электромагнитные трансформаторы. При трансформаторном включении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не протекает через Rн , что уменьшает потребление мощности от источника питания и повышает η. Эквивалентное

где Кт =ω2 / ω1 — коэффициент трансформации.

88

Существенно лучшими энергетическими показателями обладают двухтактные трансформаторные усилители мощности, работающие в режиме класса В. На рис. 2.31 приведена принципиальная схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью. Вторичные обмотки трансформаторов Тр1 и Тр2 состоят из двух секций и имеют вывод от средней точки.

Трансформатор Тр1 обеспечивает передачу входного сигнала в базовыецепитранзисторов, аТр2 — согласованиеRвых усилителясRн.

При подаче отрицательной полуволны входного сигнала на секции вторичной обмотки Tр1, подключенной к базе VТ1 , будет действовать положительная, а на секции вторичной обмотки, подключенной к базе VT2, — отрицательная полуволна. В результате VT2 останется закрытым, a VT1 откроется и через него в первую секцию первичной обмотки Тр2 станет протекать ток Iк1. При этом на Rн выделяется положительная полуволна сигнала увеличенной мощности.

Если теперь на вход усилителя мощности (рис. 2.31) будет поступать положительная полуволна Uвх, то полярности напряжений во вторичной обмотке трансформатора Тр1 изменятся на противоположные. В результате транзистор VT1 закроется, a VT2 — откроется. Следовательно, уже будет протекать ток Iк2 по цепи: источник питания — вторая секция первичной обмотки трансформатора Тр2 — коллектор-эмиттер VT2 — общая шина. За счет этого во вторичную обмотку Тр2 будет трансформироваться отрицательная полуволна выходного сигнала.

мощьютранзистораVT2.

89

Графический анализ работы двухтактного усилителя обычно проводят лишь для одного плеча, полагая, что плечи устройства симметричны. Этот анализ проводят с помощью выходных ВАХ транзистора и нагрузочной прямой для переменного тока, которые приведены на рис. 2.32, а также входной ВАХ (см. рис. 2.29). При работе в режиме класса В можно считать, что линия нагрузки как по постоянному, так и по переменному току исходит из точки, соответствующей Ек на оси напряжений. Поскольку сопротивление первичной обмотки трансформатора по постоянному току близко к нулю, его линия нагрузки располагается почти вертикально. На рис. 2.33 приведена форма выходного сигнала усилителя класса В.

Наклон линии нагрузки по переменному току определяется приведенным сопротивлением нагрузки Rн' , которое можно рассчитать по (2.38), подставив в нее вместо Кт значение Кт2.

Теперь рассмотрим основные энергетические показатели усилителя мощности (см. рис. 2.31). Выходную мощность в первичной обмотке трансформатора Тр2 можно представить как

Поскольку потребляемый от источника питания ток представляет собой пульсации с амплитудой Iкm, то его среднее значение представим в виде: 2I кm / π . Откуда для мощности, потребляемой устройством, запишем:

90

где ξ =U кm / Eк — коэффициент использования напряжения питания. Из (2.41) следует, что при ξ = 1 значение η = 0,78. В реальных же усилителях мощности класса В ξ = 0,87...0,92, что позволяет определить максимальное значение η ≈ 0,7.

Мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора, можно пред-

ставить в следующем виде: Pк = (Po − Pвых ) / 2 . Подставив в это выражение (2.39) и (2.40), нетрудно убедиться в том, что Рк — функция η.

При ориентировочном выборе транзистора обычно полагают, что его максимальнодопустимаямощностьдолжнабытьбольшеPвых / 3.

При выборе типа транзистора по максимально допустимому напряжению на коллекторе необходимо учитывать, что на коллекторе закрытого транзистора действует напряжение около 2Ек. Это происходит за счет суммирования Ек и напряжения на секции первичной обмотки трансформатора Тр2. Выбор транзистора по току производится по Iкm.

В современной микроэлектронике широко используются двухтактные усилители мощности (без применения трансформаторов). Такие усилители имеют небольшие габариты и массу, повышенную надежность и просто реализуются в виде ИМС.

Простейший вариант бестрансформаторного двухтактного усилителя можно выполнить с помощью фазоинверсного усилителя (ФУ). Нарис. 2.34 приведенаструктурнаясхематакогоусилителя, вкотором использован ФУ и выходной двухтактный ЕСЕВД усилителя мощнос-

91

быть реализован на двух однотипных транзисторах. Недостаток усилителя мощности — относительно большая потребляемая мощность, поскольку ФУ работает в режиме класса А, что приводит к значительномуснижению η.

Более лучшими параметрами обладают двухтактные бестрансформаторные усилители мощности, выполненные на комплиментарных транзисторах (n-p-n- и p-n-p-типов). Такие усилители мощности принято называть бустерами. Различают бустеры тока и напряжения. Бустер тока предназначен для усиления тока; бустер напряжения усиливает не только ток, но и напряжение. Поскольку усиление напряжения обычно осуществляется предыдущими каскадами многоканального усилителя, наибольшее распространение получили выходные каскады в виде бустера тока.

На рис. 2.35 приведена принципиальная схема простейшего варианта бустера тока класса В. Здесь использованы n-p-n-транзистор VT1 и p-n-p-транзистор VT2, базы которых подключены непосредственно ко входу усилителя. Особо обратим внимание на использование двухполярного питания (двух напряжений питания +E и –E).

При подаче на вход бустера положительной полуволны Uвх открывается транзистор VT2 и через нагрузку потечет ток в направлении, указанном стрелкой. При подаче отрицательной полуволны Uвх открывается транзистор VT2 и ток через нагрузку изменяет свое направление на противоположное. Таким образом, на Rн будет формироваться переменный выходной сигнал.

Оба транзистора в рассматриваемом бустере включены по схеме ОК. Каскад ОК очень хорошо подходит для его использования в усилителе мощности, поскольку имеет малые коэффициенты нелинейных искажений и Rвых. Кроме того, каскад OK характерен большим Rвх, что позволяет хорошо согласовывать его с предыдущим каскадом усилителя напряжения. Эти преимущества, а также малые частотные искажения имеют место в каскаде ОК за счет 100 %-ной последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице.

92

На рис. 2.35 показано, что Rн не отделено от самого усилителя никаким разделительным элементом, т.е. имеет место гальваническая связь каскада с нагрузкой. Это чрезвычайно важное обстоятельство возможно благодаря использованию двух источников питания (или одного с общей средней точкой). При этом потенциал на эмиттерах транзисторов в режиме покоя равен нулю, а в нагрузке будет отсутствовать постоянная составляющая тока. В выходной цепи обычного каскада ОК (см. рис. 2.14) конденсатор должен иметь большой номинал для получения приемлемых значений МГц, однако реализовать такой конденсатор в ИМС чрезвычайно сложно. Таким образом, использование двухполярного питания, что широко распространено в ИМС, позволяет получать мощные надежные усилители переменного и постоянного тока. При использовании дискретных транзисторов следует выбирать комплиментарные пары с близкими значениями своих параметров. Такие пары транзисторов выпускаются отечественной промышленностью: КТ502 и КТ503,

КТ814 и КТ815, КТ818 и КТ819 и др.

Существенный недостаток бустера — большой Кг (более 10 %), что и ограничивает его использование на практике. От этого недостатка свободен бустер класса АВ, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.36. Токи покоя транзисторов здесь задаются с помощью резисторов R1 и R2, а также диодов VD1 и VD2. При интегральном исполнении в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении. Падение напряжения на прямосмещенном кремниевом диоде составляет примерно 0,7 В, а в кремниевых ИМС с помощью диодов осуществляется термокомпенсация рабочего режима.

В режиме покоя входная цепь рассматриваемого бустера потребляет малую мощность (менее 5 % Рн). Сопротивление Rогр вводится для лучшего согласования с предыдущим каскадом усилителя. Обычно Rогр = (0,3...0,5)Rвх. Токовый бустер позволяет обеспе-

93