Усилители мощности

Усилителями мощности обычно называют оконечные каскады усилителей. Основное назначение оконечных каскадов – окончательное усиление сигнала, поступающего в нагрузку, до требуемой мощности. Все предыдущие каскады по сравнению с оконечным являются маломощными.

Оконечный каскад определяет КПД всего усилителя, поскольку он потребляет от источника питания львиную долю его мощности. В реальных схемах многокаскадных усилителей на выходные каскады приходится потребление до 80% и более мощности источника питания. Поэтому при проектировании оконечных каскадов, прежде всего, необходимо добиваться эффективного использования энергии источника питания, то есть обеспечивать высокий КПД каскада. С учетом этого требования в мощных усилителях транзисторы оконечных каскадов могут работать только в режиме класса В или, при высоких требованиях к уровню нелинейных искажений, класса АВ.

 

В настоящее время в качестве усилителей мощности используют преимущественно двухтактные бестрансформаторные каскады с последовательным питанием транзисторов по постоянному току.

Двухтактнымназываетсякаскад, содержащий два транзистора(или две группы транзисторов), работающих на общую нагрузку и управляемых противофазными напряжениями.

Двухтактные бестрансформаторные каскады имеют небольшие габариты, что позволяет их реализовывать, в том числе, в интегральном исполнении. Кроме этого они характеризуются гораздо меньшими частотными и нелинейными искажениями по сравнению, например, с двухтактными трансформаторными каскадами, широко используемыми ранее.

Еще одним достоинством рассматриваемых каскадов является то, что в них при использовании двухполярного источника питания может быть осуществлена непосредственная связь с нагрузкой, то есть подключение нагрузки без громоздких разделительных конденсаторов.

Разработано несколько разновидностей двухтактных бестрансформаторных оконечных каскадов. На практике наиболее широкое применение нашли двухтактные каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом проводимости. Такие каскады называют каскадами с дополнительной симметрией. На рисунке 2.49 приведен пример двухтактного каскада с дополнительной симметрией.

Транзисторы в каждом плече схемы на рисунке 2.49 включены по схеме с ОК и работают в режиме класса АВ. Как известно, при таком включении транзистора каскад усиливает ток, но не усиливает напряжение, то есть усиление мощности достигается за счет усиления тока. Кроме этого каскад с ОК обладает низким выходным сопротивлением, что позволяет передавать усиленный сигнал в низкоомную нагрузку без значительных потерь мощности. Режим класса АВ достигается подачей небольшого начального смещения в базовые цепи транзисторов с помощью делителя напряжения на резисторах R1, R2, R3. Применение режима АВ позволяет снизить нелинейные искажения сигнала в каскаде.

 

Рисунок 2.49 – Двухтактный оконечный каскад

с дополнительной симметрией

 

На рисунке 2.50, а показано, за счет чего происходит уменьшение нелинейных искажений в двухтактном усилительном каскаде при работе в режиме АВ. При совмещении проходных характеристик транзисторов обеих плеч по напряжению и_БЭ точками А и А' видно, что характеристика разностного тока имеет вид прямой (штриховая линия на рисунке) и ступенек, имеющих место при работе транзисторов в режиме В (рисунок 2.50, б), не возникает.

а б

Рисунок 2.50 – Линеаризация проходной ВАХ в двухтактном каскаде

 

Проанализируем работу двухтактного усилительного каскада. При отсутствии входного сигнала (то есть в режиме покоя) в сопротивлении нагрузки R_н протекают небольшие токи I_Э1О » I_К1О и I_Э2О » I_К2О. Поскольку значения этих токов равны, а направления противоположны, то они взаимно вычитаются. Следовательно, напряжение на резисторе R_н при отсутствии входного сигнала равно нулю. Токи покоя транзисторов VT1 и VТ2 (соответственно I_К1О и I_К2О) задают с помощью напряжения смещения U_БЭО этих транзисторов, созданного падением напряжения на сопротивлении R2. Если параметры транзисторов VT1 и VТ2 идентичны, то потенциалы точек А и В (рисунок 2.49) относительно виртуального нуля (точки О) равны (±U_R2/2). В этом случае через транзисторы протекает одинаковый ток, а в сопротивлении нагрузки ток отсутствует.

Сопротивления резисторов R1, R2 и R3 находят по формулам:

 

, (2.104)

 

, (2.105)

 

, (2.106)

 

где I_д – ток делителя, выбираемый из условия .

На практике чаще всего вместо резистора R2 (рисунок 2.49) в схему включают полупроводниковые диоды (рисунок 2.51), которые обеспечивают требуемое падение напряжения при заданном токе делителя и, в то же время, имеют малое дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току). Замена R2 диодами повышает температурную стабильность каскада.

 

Рисунок 2.51 – Практическая схема двухтактного оконечного каскада

 

При подаче на вход каскада переменного сигнала транзисторы работают попеременно. В частности, при положительной полярности сигнала транзистор VТ2 открыт, а транзистор VT1 закрыт. При этом открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК, то есть как обычный эмиттерный повторитель. При этом ток i_Э2 создает на резисторе R_н падение напряжения, совпадающее по фазе и примерно равное по величине входному напряжению. При отрицательной полярности входного сигнала функции транзисторов VT1 и VT2 меняются местами. Таким образом, процесс усиления переменного сигнала можно разбить, как бы, на два такта. Отсюда и название каскада – двухтактный усилительный каскад.

Анализ и расчет каждого плеча не отличается от расчета эмиттерного повторителя. Поэтому все выражения, полученные для каскада с ОК, будут справедливы для каждого плеча рассматриваемого усилителя, взятого в отдельности.

Для получения одинакового входного сопротивления каскада в разные полупериоды входного сигнала и одинакового усиления мощности в каждом плече транзисторы двухтактного каскада необходимо подбирать с идентичными параметрами. Промышленностью выпускаются так называемые комплементарные пары транзисторов – то есть транзисторы со структурами р-п-р и п-р-п типа, имеющие одинаковые параметры (например, КТ315 и КТ361, КТ816 и КТ817 и др.).

Улучшение параметров и характеристик схем двухтактных бестрансформаторных каскадов возможно за счет различных схемотехнических решений. Например, двухтактный усилитель мощности на составных транзисторах (VT1, VT3 и VT2, VT4) со схемами термостабилизации и защиты от короткого замыкания представлен на рисунке 2.51.

В данной схеме термостабилизация осуществлена за счет введения в цепи базы транзисторов диодов VD1 и VD2, которые играют роль термозависимых сопротивлений. Для защиты выходных транзисторов от короткого замыкания в цепи нагрузки в эмиттерные цепи транзисторов включают небольшие ограничивающие сопротивления R₀, которые в случае короткого замыкания (при R_н = 0) выполняют роль нагрузки, что исключает превышение допустимых значений коллекторных токов транзисторов.

return false">ссылка скрыта