Основы радиоэлектроники и связи

9. Функциональные преобразования сигналов в нелинейных электронных цепях : 9.1. Воздействие гармонического и квазигармонического сигнала на НЭ с кусочно-линейной ВАХ

9.1.3 Усилители мощности низкой частоты

Усилителем мощности называется усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания.

Обычно в усилителе мощности амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с предельно допустимыми значениями, а выходная мощность сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой прибором. В таком режиме, например, обычно работает выходной каскад усилителя звуковых частот в радиовещательных приемниках.

В отличие от усилителей напряжения и тока к усилителям мощности предъявляются требования получения большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия. Выполнение этих требований сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала. Простейший усилитель мощности низкой частоты строится по той же схеме, что и усилитель слабого сигнала. Например, обычный резистивный каскад на транзисторе с ОЭ также может быть использован и в качестве усилителя мощности.

Простой вывод основных соотношений для усилителя мощности основывается на использовании идеализированных характеристик транзистора. Активный элемент усилителя характеризуется предельно допустимыми значениями мощности, напряжения и тока в выходной цепи. Для транзистора с ОЭ это . Так как , то на семействе выходных характеристик транзистора можно отметить предельно допустимые режимы. На рис.6 показаны выходные характеристики транзистора с ОЭ, линия допустимой мощности , ограниченная допустимыми значениями тока и напряжения..

Рис.6

Область, ограниченная этими линиями (одинарная штриховка), позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают до величин: . На рис.6 область, ограниченная максимальными режимами, показана двойной штриховкой.

Для упрощения анализа усилителя мощности правомерно применение идеализации BAX транзистора в виде кусочно-ломаной аппроксимации.

В широкополосных усилителях мощности низкой частоты, использующих в каскаде один транзистор, используется для усиления только режим усиления класса “А” ( q = 180 ⁰), позволяющий работать без нелинейных искажений сигнала. Напряжение питания Е_к выбирается равным максимальному значению коллекторного напряжения, а сопротивление нагрузки R_к=E_к/i_к,max. На рис.7 показаны осциллограммы напряжений и токов, действующих в схеме резистивного каскада.

Рис.7

Коэффициент полезного действия электронного усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.

Выходная полезная мощность в случае усиления гармонического сигнала равна:

,

где U_м,кэ, I_м,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Е_к и постоянной составляющей тока I_к,o, протекающего в коллекторной цепи:

.

Таким образом, КПД равен:

.

Величина называется коэффициентом использования напряжения источника питания; величина отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Для получения высокого КПД следует увеличивать и . Максимальный КПД (100%) получается при .

Из рис.7 видно, что при максимальном использовании линейного участка ДПХ , следовательно, , и, таким образом, при выбранной идеализации в режиме класса “А” имеем

.

В реальных усилителях мощности линейный участок ДПХ ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .

Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки; схема такого усилителя мощности показана на рис. 8.

Рис. 8.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением трансформатора для переменного тока. Линия нагрузки для постоянного тока определяется здесь соотношением: .

Так как , где n – коэффициент трансформации, то линия нагрузки в области допустимых значений идет почти вертикально (см рис.9). Выбираем рабочую точку на уровне i_k,max/2.

Рис.9

Для определения амплитуд тока и напряжения построим через точку А линию нагрузки по переменному току (ЛН_~), угол наклона которой определяется сопротивлением R_к. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Е_к, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при данной идеализации

.

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Из-за широкополосности нагрузки в этом случае нельзя избавиться от высших гармонических составляющих тока и, следовательно, от нелинейных искажений формы выходного сигнала.

Одним из способов построения усилителей мощности низкой частоты с высоким КПД являются двухтактные схемы (один из вариантов показан на рис.10), в которых транзисторы работают с углом отсечки q = 90⁰ в противофазе.

Рис.10

Так как выходное напряжение определяется разностью токов каждого транзистора, то в нагрузке будет выделяться практически гармоническое напряжение (при гармоническом сигнале на входе). Это проиллюстрировано графиками рис.11.

Рис.11

Хорошее симметрирование схемы позволяет исключить из выходного напряжения все четные гармоники тока. У реальных усилителей из-за нижнего нелинейного участка ДПХ приходится проводить дополнительные регулировки смещений транзисторов.

Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока определяются здесь как:

.

Для угла отсечки 90^о . Таким образом, максимальный КПД каждого плеча схемы равен

.

Важным свойством усилителей мощности низкой частоты является их широкополосность, требующая применения резистора или широкополосного трансформатора в коллекторной цепи. Это приводит к тому, что на выходе при усилении больших сигналов могут иметь место нелинейные искажения, обусловленные появлением высших гармонических составляющих сигнала. Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы всех гармоник, начиная со второй, к среднеквадратическому напряжению первой гармоники, когда на вход усилителя подается гармонический сигнал. Так как среднеквадратические значения пропорциональны амплитудам, коэффициент гармоник (или коэфициент нелинейных искажений - КНИ) равен:

.

Обычно коэффициент гармоник выражают в процентах и не допускают, чтобы он превышал 5-10%, причем при высококачественном усилении звуковых колебаний он не должен превышать 1 – 1,5 %.

Применяют и безтрансформаторные двухтактные схемы усилителей мощности низкой частоты. В этом случае должно быть использовано либо два источника питания, либо транзисторы разной проводимости . На рис.12 показаны примеры такого усилителя.

Рис.12

Главный недостаток схем бестрансформаторных усилителей заключается в трудности подбора двух транзисторов (особенно при использовании транзисторов разной полярности) с характеристиками, близкими на всем диапазоне значений выходного сигнала. Это приводит к значительному усложнению схемы. Многие усилители в микросхемном исполнении, в том числе и операционные, имеют достаточно сложные схемные реализации выходных каскадов.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004