2.5.3 Усилители мощности

КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Усилитель мощности (УМ) — это усилитель, основной задачей которого являет­ся отдача в цепь потребителя заданной мощности сигнала при нелинейных иска­жениях, не превышающих допустимые.

Усилители мощности обычно являются оконечными каскадами многих ра­диотехнических устройств. При этом полезная мощность, выделяемая в нагруз­ке, соизмерима с максимально допустимой мощностью, рассеиваемой усили­тельным прибором, который в данном случае будет работать в режиме большого сигнала.

По сравнению с усилителями напряжения усилители мощности имеют ряд особенностей.

• Первая особенность заключается в том, что при работе усилительного прибо­ра используется большая часть всей его характеристики, включающая иногда и заведомо нелинейные области. Вследствие этого выходной сигнал по форме может отличаться от входного, что приведет к заметным нелинейным иска­жениям. При этом расчет каскада по параметрам, справедливый только для рабочей точки и малой области около нее (режим малого сигнала), дает не­ верные результаты. В связи с этим такие каскады рассчитывают для области средних частот графически, используя статические входные и выходные ха­рактеристики. Частотные искажения в них оцениваются обычным способом.

• Вторая особенность вытекает из того факта, что нагрузка усилителя является, как правило, низкоомной и не соответствует оптимальной. Поэтому для уси­лителей мощности характерно наличие согласующего устройства, основной целью которого является преобразование сопротивления нагрузки и доведе­ние его до величины, наиболее благоприятной для эффективной работы уси­лительного прибора с точки зрения получения требуемой мощности при до­пустимом уровне нелинейных искажений.

• Третья особенность состоит в том, что на долю усилителя мощности прихо­дится основная часть потребляемой энергии и зачастую он определяет эконо­мичность всего устройства.

КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ.

Усилители мощности можно классифицировать по следующим признакам.

• По величине развиваемой мощности в нагрузке: малой (до 0,3 Вт); средней (от 0,3 до 3 Вт); большой (более 3 Вт) мощности.

• По типу усилительного прибора: на биполярных транзисторах; на полевых транзисторах; на электровакуумных приборах и т. д.

• По виду согласующего устройства: с трансформаторными входом и выходом; с трансформаторным входом и бестрансформаторным выходом; с бестранс­форматорным входом и трансформаторным выходом; бестрансформаторные.

• По виду усиливаемого сигнала: с однофазным и двухфазным возбуждением.

• По способу работы усилительного прибора: однотактные и двухтактные.

• По другим признакам, таким как наличие отрицательных обратных связей по переменному (постоянному) току, цепей НЧ- и ВЧ - коррекции и т. д.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

Усилители мощности обычно характеризуются следующими основными пара­метрами:

• активная мощность сигнала в нагрузке Рн;

• коэффициент гармоник К_Т, определяющий нелинейные искажения;

• динамический диапазон Д;

• верхняя и нижняя граничные частоты, определяющие полосу пропускания;

• коэффициент полезного действия

где Рпотр — мощность, потребляемая УМ нижних частот от источника питания. Таким образом, наиболее важными требованиями, которые предъявляются к работе оконечного каскада, являются:

1. Получение высокого КПД. С помощью усилительного элемента происходит преобразование энергии источника коллекторного (стокового, анодного) пи­тания в энергию усиленного полезного сигнала, отдаваемого в нагрузку. Чем выше КПД, тем большая часть затраченной мощности источника питания преобразуется в полезную мощность, отдаваемую в нагрузку.

2. Получение максимальной мощности в нагрузке. Известно, что условием полу­чения максимальной мощности в нагрузке является согласование выходного сопротивления усилительного элемента с нагрузкой.

В схемах усилителей с общим эмиттером (общим истоком или общим ка­тодом) или общей базой (общим затвором) сопротивление Rвых велико и со­ставляет от сотен до сотен тысяч ом. При включении в цепь усилителя низкоомной нагрузки (например, громкоговорителей, у которых сопротивление составляет единицы ом, или кабельной линии с малым волновым сопротив­лением) мощность, отдаваемая источником, распределится пропорционально

сопротивлениям электронного прибора и нагрузки. В этом случае большая часть мощности источника потеряется на усилительном элементе, а мощность, отдаваемая в нагрузку, будет очень мала. Следовательно, в каждом отдельном случае должны быть предусмотрены меры по согласованию сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением усилительного элемента.

3. Минимизация нелинейных искажений. Для получения большой мощности на выходе оконечного каскада и особенно большого КПД на вход усилительного элемента необходимо подавать такие амплитуды напряжения, которые позво­лили бы добиться максимального отношения I_/Iист и U_/ Еист.

Такие соотношения возможны только при использовании большей части характеристики транзистора (лампы), включая и нелинейные участки. Есте­ственно, что при этом форма сигнала искажается (возникают нелинейные искажения). Таким образом, возникает противоречие между требованием по­лучения наибольшего КПД и минимальных нелинейных искажений. Следо­вательно, в каждом отдельном случае требуется определить условия преодо­ления этого противоречия, то есть возможности получения максимального КПД при минимальных нелинейных искажениях.

4. Получение минимальных частотных и фазовых искажений. Эта проблема ре­шается таким же путем, как и в предварительных каскадах, поскольку причи­ны этих искажений в обоих случаях одинаковы — наличие в схеме реактив­ных элементов L и С.

ОДНОТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НИЗКИХ ЧАСТОТ

Одиотактный усилитель — это каскад, имеющий один или несколько параллель­но соединенных усилительных приборов, работающих непрерывно.

Это наиболее простые усилители, работающие в режиме класса А, в котором ток через усилительный прибор протекает в течение всего периода сигнала. Обыч­но в этом случае рабочая точка выбирается в середине линейного участка ВАХ. Однотактные усилители могут быть бестрасформаторными и с использованием трансформаторов.

Типичным бестрансформаторным каскадом усилителя мощности является ра­нее рассмотренный повторитель напряжения, который широко используется как в обычных схемах, так и в микросхемах, например в операционных усилителях.

Рассмотрим более подробно одиотактный трасформаторный усилитель мощ­ности, у которого, наряду с усилительным прибором и источником питания, од­ной из основных деталей является трансформатор.

Конструктивно трансформатор представляет собой сложную деталь. Он име­ет первичную обмотку, к которой подводится напряжение сигнала, и одну или несколько вторичных обмоток. Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции, которое проявляется только при переменном магнит­ном потоке.

Трансформаторы, используемые в усилительной технике, подразделяются на входные, межкаскадные (иногда называемые согласующими) и выходные.

В отличие от силовых трансформаторов все они называются сигнальными и име­ют особенности в электрическом и конструктивном расчетах. Связано это с тем, что к таким трансформаторам предъявляются требования по частотному диапа­зону, нелинейным искажениям и другим параметрам. Одной из характеристик трансформатора является коэффициент трансформации

(6.9)

где N_x — число витков первичной, a N₂ — число витков вторичной обмотки.

Если п > 1 — трансформатор повышающий, а при п < 1 — понижающий.

В зависимости от способа включения один и тот же трансформатор можно использовать как для повышения, так и для понижения напряжения.

Трансформатор как элемент связи дает возможность изменять напряжение, ток и сопротивление:

где U₁ и I₁ — напряжение и ток первичной обмотки; U₂ и 1₂ — напряжение и ток вторичной обмотки; R_BX — сопротивление переменному току со стороны первичной обмотки; Rвых — сопротивление переменному току со стороны вторичной обмотки.

Рисунок 6.12 – принципиальная схема однотактного трансформатора УМ

Данные соотношения справедливы в предположении, что трансформатор иде­альный. Свойство трансформатора преобразовывать сопротивления широко исполь­зуется на практике в различных целях: например, для получения максимального напряжения (мощности) в нагрузке (такой случай получил название согласова­ние по сигналу) либо для достижения наилучшего отношения «сигнал-помеха». Кроме того, он позволяет перейти от несимметричной схемы к симметричной и наоборот, а при наличии дополнительных обмоток — осуществить отрицатель­ную обратную связь с требуемой глубиной (согласование по отношению «сиг­нал-помеха»).

Наряду с положительными свойствами трансформатор имеет и ряд недостат­ков: он вносит частотные и нелинейные искажения, чувствителен к внешним по­мехам, не поддается микроминиатюризации. Однако в ряде случаев без него нельзя обойтись, поэтому в настоящее время он еще находит достаточно широ­кое применение. Принципиальная схема однотактного трансформаторного УМ представлена на рисунке 6.12.

ОДНОТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Характеристика схемы (рисунок 6.12): однотактный трансформаторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, эмиттерной стабилизацией коллектор­ного тока и последовательным коллекторным питанием.

НАЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ УМ

R_Б1, R_Б2, Rэ, Rф и Сф - выполняют те же функции, что и в ранее изученных уси­лителях.

Тр — трансформатор для преобразования сопротивления нагрузки Rн в со­противление R₂ = Rн/n² с целью создания оптимальных условий (по усилению и нелинейным искажениям) работы усилительного прибора. R₂ — сопротивление вторичной обмотки трансформатора по переменному току.

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Рабочая точка выбранного транзистора определяется по выходным характери­стикам таким образом, чтобы обеспечить требуемую мощность в нагрузке при нелинейных искажениях, не превышающих заданные.

С этой целью ограничивается рабочая область: слева — явно выраженной не­линейностью; сверху и справа - I_Кmax, P_Kmax, U_Kmax; снизу - I_Кобр.

Для получения максимально полезной мощности в нагрузке необходимо, что­бы транзистор полностью использовался по напряжению и току, в соответствии, с чем и строится нагрузочная характеристика.

Однако следует учитывать, что при этом могут получиться значительные не­линейные искажения. Поэтому, если есть запас по мощности, следует так умень­шить наклон нагрузочной характеристики, чтобы удовлетворить требованиям по мощности при минимальных нелинейных искажениях.

		По наклону нагрузочной характеристики рассчитывается оптимальное сопро­тивление R2 переменному току, после чего находится коэффициент трансфор­мации: Только в таком смысле следует понимать выражение «выходной трансформа­тор служит для согласования нагрузки или... согласования по сигналу». Расчет статического режима производится по исходным данным Uкэ, Iб, Iк, UБЭ в обычном порядке, но с учетом того факта, что сопротивление RK здесь при­равнивается к нулю.
Рисунок 6.13 – Кривые намагничивания: а – без подмагничивания сердечника; б – с подмагничиванием сердечника

В статическом режиме протекают следующие токи:

• ток базы: +Е_К  корпус  Rэ  эмиттер-база VT R_Б1  Rф  -Ек;

• ток коллектора: +Ек  корпус Rэ  эмиттер-база-коллектор VT  первич­ная обмотка Тр Rф + -Ек;

• ток делителя: +Е_К  корпус  R_Б2 R_Б1 Rф  -Ек.

Коллекторный ток, проходя по первичной обмотке трансформатора Тр, со­здает в ней постоянный магнитный поток. Это явление получило название подмагничиванпя сердечника. Оно является вредным, поскольку требует некоторо­го увеличения размеров сердечника при передаче одной и той же мощности. На рисунке 6.13 показаны требуемые кривые намагничивания при одинаковой амплиту­де коллекторного тока 1_Кт.

Видно, что во втором случае (рисунок 6.13, б) для обеспечения линейного участка нужна более длинная кривая намагничивания, что может быть достигнуто при увеличении поперечного сечения сердечника, а следовательно габаритов транс­форматора.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Пусть на входные зажимы 1-1 подано напряжение сигнала U₁, которое через конденсатор Сэ прикладывается к участку база-эмиттер. Это приведет к пульса­циям тока базы I_Б. В коллекторном токе I_к появляется переменная составля­ющая, которая замыкается по следующей цепи: коллектор VT  первичная об­мотка Тр  Сф  корпус  С_э  эмиттер VT.

Следовательно, в первичной обмотке кроме постоянной составляющей проте­кает и переменная составляющая тока коллектора /_к. В сердечнике трансформа­тора будет существовать пульсирующий магнитный поток. Постоянная составля­ющая магнитного потока не вызывает ЭДС во вторичной обмотке трансформа­тора, а переменная наводит ЭДС взаимоиндукции, величина которой зависит от коэффициента трансформации. Таким образом, на нагрузке будет выделяться напряжение сигнала.

ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Применение режима В и даже АВ в однотактном каскаде приведет к недопусти­мо большим нелинейным искажениям. Естественно, что работа выходного каска­да с очень низким КПД при сравнительно больших мощностях неприемлема. Ре­шение этого противоречия было найдено с помощью двухтактной схемы.

Двухтактная схема содержит два усилительных элемента (или две группы усилительных элементов, образующих два плеча схемы), работающих на общую нагрузку. На вход каждого плеча двухтактной схемы подаются два одинаковых по амплитуде напряжения в противофазе.

Если усилительные элементы схемы работают в режиме В, то в отсутствие сигнала, то есть в режиме покоя, усилительные элементы не работают, ток в на­грузке отсутствует. При подаче на входы плеч двухтактной схемы напряжения сигнала усилительный элемент одного плеча откроется. На второе плечо будет подано равное по величине, но противоположное по фазе напряжение и усили­тельный элемент второго плеча не будет работать. Из вышеизложенного следует:

• такт 1 — в нагрузке появится выходной ток первого плеча. Через полпериода переменного тока фаза напряжения сигнала поменяется на 180°;

• такт 2 — усилительный элемент второго плеча откроется, и в нагрузке по­явится ток, но уже противоположного направления.

Таким образом, если входное напряжение синусоидальное, несмотря на то что в режиме В каждый элемент работает с углом отсечки 90°, в нагрузке будет про­текать непрерывный ток — синусоида восстановится.

Это является главной особенностью двухтактной схемы. Работая в экономич­ных режимах В и АВ с высоким КПД, схема позволяет получить такие же уров­ни нелинейных искажений, как и в режиме А.

Бестрансформаторные схемы позволяют осуществить непосредственную связь между каскадами и обратную связь по постоянному току, что улучшает стабиль­ность характеристик. Такие усилители мощности находят применение не только

в микроэлектронных устройствах, но и успешно вытесняют трансформаторные схемы из аппаратуры обычного пользования.

Хотя они могут работать как в режиме А, так и в режиме В, на практике пред­почтение отдается режиму В (АВ).

БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ С ОДНОФАЗНЫМ

ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Более совершенной является схема с использованием конденсатора значительной емкости (рисунок 6.14).

В исходном состоянии оба транзистора закрыты, и если предположить, что они обладают идентичными параметрами, то на них будет одинаковое напряжение, равное 0,5Ек.

Рисунок 6.14 – принципиальная схема БУМ с конденсатором значительной емкости

До такого же напряжения будет заря­жен конденсатор Ср, причем на правой обкладке будет «+», а на левой «-». Пусть к зажимам 1-1 приложено на­пряжение сигнала, причем в первый по­лупериод к зажиму 1, а следовательно и к базам транзиторов VT1, VT2, — «+», а к зажиму 1', то есть к эмиттерам через Rн и Ср, - «-». Тогда транзистор VT1 будет закрыт, a VT2 — открыт. Конденсатор Ср начнет разряжаться по цепи: «+» правая обкладка Ср на Rн, через транзистор VT2 на ле­вую обкладку конденсатора Ср.

В данном случае Ср выступает как источник, ко­торый создает через нагрузку ток в направлении на схеме рисунка 6.14 сверху вниз. В следующий полупериод открывается VT₁, a VT₂ закрыт. Теперь ток через нагрузку будет проходить от источника Ек по цепи:

+Ек Rн  Ср  VT₁  -Ек.

Следует иметь в виду, что и в этом случае величину тока определяет напря­жение, равное 0,5Ек, поскольку встречно с напряжением источника Ек включен конденсатор Ср с напряжением 0,5Ек. Таким образом, на резисторе Rн выделяет­ся переменное напряжение с частотой сигнала.

Отметим, что по переменному току каждый из транзисторов используется как эмиттерный повторитель (в каждый полупериод один из транзисторов за­крыт), поэтому каскад работает с высокой степенью линейности, допуская за­метные различия в характеристиках используемых транзисторов. Исключитель­ная простота и высокий КПД в режиме. В делают эту схему особенно пригодной для микросхемного исполнения.

В тех случаях, когда нельзя подобрать транзисторы с разной проводимостью на нужную выходную мощность, можно использовать транзисторы с одинаковой проводимостью, однако для их поочередной работы требуется двухфазное на­пряжение, которое создается с помощью фазоинверсных каскадов.

БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ С

ДВУХФАЗНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Рисунок 6.15 – БУМ с фазоинверсным каскадом

Такой усилитель имеет два принципиально необходимых каскада: фазоинверсный каскад и оконечный, собранный на одинаковых транзисторах VTi и VT2. Здесь, как и в предыдущей схеме, роль дополнительного источника выполня­ет конденсатор Ср. Фазоинвертор (рисунок 6.15), преобразуя однофазное напряжение сигнала в двух­фазное, обеспечивает поочередную работу транзисторов оконечного каскада.

Рисунок 6.16 – БУМ с фазионверсным каскадом (УМ с разделенной нагрузкой)

При этом коллекторный ток транзистора VT1 обеспечивается напряжением Ек - Uсрp 0,5Ек, а коллекторный ток VT2 — напряжением заряженного конденса­тора Ср (емкость которого значительна и составляет сотни - тысячи микрофарадов), примерно равным 0,5Ек. Существует несколько вариантов построения фазоинверсных каскадов. Рас­смотрим некоторые из них, наиболее часто встречающиеся в практических схемах. Простейшим фазоинверсным каскадом может служить усилитель с разделен­ной нагрузкой, использование которого в бестрансформаторном УМ показано на рисунке 6.16.

Здесь транзистор VT₁ работает в режиме А, а транзисторы VT₂ и VT₃ в режи­ме В. При включении сигнала напряжение на участок БЭ транзистора VT₃ посту­пает в фазе с входным (как с эмиттерного повторителя), а на участок БЭ транзи­стора VT₂ — в противофазе (как с усилителя с ОЭ).

Рисунок 6.17 – Двухтактный УМ с фазоинвертором на разнотипных транзисторах

Таким образом, транзисторы VT2 и VT3 работают поочередно и на нагрузке будет выделяться напряжение сигнала. Недостатком такого фазоинвертора является то, что у него выходные сопро­тивления Rвых эмиттерной и коллекторной цепей резко отличаются и для их вы­равнивания приходится усложнять схему. Лучшей симметрией обладают каскады фазоинверторов на двух разнотипных транзисторах (рисунок 6.17). Схема фазоинвертора состоит из двух разнотипных транзисторов и элемен­тов, обеспечивающих его статический режим, стабилизацию и симметрию по вы­ходу. Здесь резистор R2 задает смещение на участок БЭ транзисторов VT1 и VT2. При поступлении сигнала на зажимы 1-1' переменный ток будет протекать по цепи: зажим 1  база-эмиттер VT2  R5  эмиттер-база VTt  С  корпус  зажим 1.

Рисунок 6.18 – Двухтактный УМ с фазоинвертором на одинаковых транзисторах

Транзисторы VT1 и VT2 будут одновременно призакрываться или приоткры­ваться, но благодаря их различной структуре на коллекторах появится напряже­ние противоположных знаков по отношению к корпусу. Другая распространенная схема двухтактного усилителя на одинаковых тран­зисторах VT3 и VT4 вместе с фазоинверсным каскадом на VTt и VT2 показана на рисунке 6.18. Полупроводниковый диод VD, включенный в прямом направлении, задает небольшое начальное смещение на базы VT1 и VT2. При поступлении сигнала переменный ток управления проходит по цепи: зажим 1 

Если в какой-то момент времени на зажиме 1 будет «+», то транзистор VT₁ открывается, а транзистор VT₂ закрывается, в результате чего ток базы I_Б транзистора VT₄ протекает по цепи:

«+» СрRнэмиттер-база VT₄коллектор-база-эмиттер VT₁ «-» Cр.

Транзистор VT₄ оказывается открыт, а транзистор VT₂ и ток базы транзистора VT₃ протекает по цепи:

+Ек корпусRн Ср эмиттер-базаVT₃транзистор VT₂  -Ек.

Теперь открывается VT₃, а транзистор VT₄ закрыт. Таким образом, данная схема обеспечивает поочередную работу мощных однотипных оконечных транзисторов.

ВЫВОДЫ:

1. В приведенных схемах могут быть дополнительные элементы, а также цепи обратных связей, способствующие достижению заданных параметров усилителя и улучшению стабильности его работы.

2. Основными достоинствами двухтактной схемы являются: возможность рабо­ты усилителя в экономичных режимах В и АВ при допустимом уровне нели­нейных искажений; увеличение КПД до 78 %.

3. Для нормальной работы двухтактной схемы требуется полная симметрия схе­мы и подача на оба плеча двух одинаковых по амплитуде напряжений в противофазе.

4. Если затруднен подбор транзисторов с разными типами проводимости на нуж­ную выходную мощность, можно использовать на выходе транзисторы с оди­наковой проводимостью. Однако для их поочередной работы требуется двух­фазное напряжение, которое создается с помощью фазоинверсных каскадов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Дайте определение усилителя мощности.

2. Дайте характеристику схемы однотактного трансформаторного УМ и пояс­ните назначение ее элементов.

3. Каковы достоинства и недостатки применения трансформаторов в выходных каскадах?

4. Покажите цепи протекания токов в статическом и динамическом режимах ра­боты УМ.

5. Чем объяснить завалы АЧХ в области низких и высоких частот усилителя мощности?

6. Почему двухтактная схема допускает возможность работы в режимах В и АВ при низком уровне нелинейных искажений?

7. Покажите прохождение переменной составляющей тока в различные такты работы в схеме БУМ с конденсатором большой емкости. Поясните назначе­ние конденсатора.

8. Для каких целей применяют фазоинверсные каскады?

9. Почему в двухтактном УМ необходима полная симметрия схемы?

10. Что дает применение комплементарных пар транзисторов в бестрансформа­торных УМ?