12 Усилители мощности

4.1 Согласование источника сигнала с нагрузкой. Классификация усилителей мощности

Существует 3 способа согласования источников сигнала с нагрузкой:

• по напряжению;

• по току;

• по мощности.

Задача согласования источника напряжения с нагрузкой решалась в ранее рассмотренных RC усилителях напряжения. В этом случае схема подключения источника к нагрузке приведена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 — Схема подключения источника напряжения к нагрузке

При согласовании источника с нагрузкой по напряжению необходимо обеспечить условие:

U_НE_ВХ или U_НE_ВХ.

Это достигается при R_ВН<<R_Н. Если это неравенство не выполняется, то согласование по напряжению считается удовлетворительным, если U_Н(0,30,7)E_ВХ.

Согласование по току осуществляется при необходимости обеспечения тока в нагрузке равного или близкого входному току

I_НI_ВХ или I_НI_ВХ.

В этом случае схема подключения источника сигнала будет иметь вид, приведенный на рис. 4.2. Согласование источника тока с нагрузкой будет обеспечиваться при выполнении следующего условия:

R_ВH>>R_Н.

Тогда

I_НI_ВХ.

Согласование сигнала с нагрузкой по мощности применяют тогда, когда в нагрузке необходимо получить максимальную мощность:

P_НP_Hmax или P_НP_Hmax.

Схема подключения источника сигнала к нагрузке в этом случае имеет вид аналогичный схеме подключения источника напряжения к нагрузке при согласовании по напряжению (см. рис. 4.1). Однако, максимальная мощность в нагрузке для этого случая будет обеспечиваться при равенстве внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки:

R_ВН=R_Н.

Это легко показать, взяв производную и приравняв ее к нулю.

Рисунок 4.2 — Схема подключения источника тока к нагрузке

Такое согласование необходимо выполнять в усилителях мощности, которые, как правило, являются оконечными каскадами, обеспечивающими максимальную или требуемую мощность в нагрузке. В этих каскадах для согласования высокого выходного сопротивления усилителя с низкоомной нагрузкой применяют выходные (согласующие) трансформаторы (см. рис. 4.3) [1,5,9].

Рисунок 4.3 — Согласование выходного сопротивления усилителя с нагрузкой по мощности

В этом случае сопротивление нагрузки, приведенное к выходу усилителя (или ко входу трансформатора), будет определяться следующим выражением:

,

где — коэффициент трансформации трансформатора.

Для оптимального согласования по мощности , и при известных R_H и R_Вых определяют из последнего выражения требуемый коэффициент трансформации трансформатора n.

Различают однотактные и двухтактные усилители мощности. Двухтактные усилители мощности применяются при больших мощностях в нагрузке (P_n>(1–3)Вт). Усилители мощности работают в основном в классах «А», «АВ» и «В». Положение рабочих точек в указанных классах на нагрузочной линии усилителя мощности по постоянному току представлены на рис. 4.4.

Рисунок 4.4 — Положение рабочих точек в различных классах работы усилителя мощности

В режиме класса «А», рабочая точка выбирается в центре активной области (точка О3 на рис.4.4), при этом приращения сигнала относительно рабочей точки должны быть невелики, и составлять порядка до (3040)% от координат рабочей точки О3. Этот режим используется в однотактных усилителях. В классе «В», рабочая точка выбирается в режиме отсечки транзистора (Iб=0) — точка О1. Данный режим работы применяется в двухтактных усилителях. В классе «АВ», рабочая точка занимает промежуточное положение между классами «А» и «В» (точка О2 на рис. 4.4).

Коэффициенты полезного действия каскадов в классах «А», «АВ» и «В» составляют соответственно 0,250,3; 0,30,45; 0,450,6. При этом нелинейные искажения возрастают с ростом коэффициента полезного действия каскада. Усилители мощности строятся по трансформаторным и бестрансформаторным схемам.