14(2) Мощные усилительные каскады

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка R_H и мощность Р_Н, рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значе­ния от нескольких до десятков — сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рас­считывают по заданным значениям Р_Н и R_н. Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности К_Р.

Общие сведения о мощных усилительных каскадах. Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Нелинейные искажения для мощных транзисторных каскадов обусловлены зависимостью h*₂₁₆ или h*_21э от режима работы, нелинейностью характеристик транзисторов /_Э(U_ЭБ) или /_Б(U_БЭ), а также нелинейностью характеристик намагничивания маг­нитной системы трансформатора, часто используемого для согласования выходного каскада с нагрузкой.

Для количественной оценки нелинейных искажений, вноси­мых каскадом, на его вход подают чисто синусоидальный сигнал и измеряют амплитуды гармоник на его выходе. Отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд всех гармоник, кроме первой, на входе каскада к амплитуде первой гармоники характеризует нелинейные искажения, вно­симые усилителями мощности. Это отношение называется коэффициентом гармоник:

При экспериментальной оценке чаще используют коэф­фициент нелинейных искажений ввиду более простой реализации измерительного устройства. Разница между этими двумя оценками нелинейных искажений обычно несущественна. Коэффициенты гармоник и нелинейных искажений часто вы­ражают в процентах.

У прецизионных усилителей иногда оценивают коэффици­ент искажений интермодуляции. При его нахождении на вход усилителя через резисторы подаются сигналы от двух генераторов сигналов. Частота одного из них f_x небольшая (f₁≈250 Гц). Второе напряжение имеет частоту f₂ на порядок-полтора большую, чем f₁ (обычно f₂≈8 кГц). Значения на­пряжений берут 0,8 и 0,2U_вхном. К выходу усилителя подключа­ют полосовой фильтр, настроенный на частоту f₂. Состав­ляющие U и U_м выходного напряжения фильтра (рис. 4.41) измеряют с помощью приборов. Коэффициент интермодуляции К_инт оценивают из уравнения

Р ис. 4.41. Напряжение на выходе филь­тра, у которого f_рез=f₂

Если усилитель линейный, то при воздействии любого количества сигналов происходит их суммирование и в спектре сигнала не появляются комбинационные частоты. Соответствен­но не происходит модуляции амплитуд гармоник выходного сигнала. При наличии нелинейности возникают комбинацион­ные частоты и высокочастотная гармоника f₂ окажется модули­рованной по амплитуде, причем глубина модуляции, характери­зуемая напряжением U_M, зависит от нелинейности усилителя.

В общем случае сигналы сложной формы могут усиливаться, поэтому нелинейные искажения усилителя следует оценивать суммарным коэффициентом

который должен быть мень­ше допустимого значения К_о {К_г <К₀). В общем случае происходит суммирование нежелательных гармоник и интермодуляционных искажений не учитывается.

Как показывают расчеты, коэффициенты гармоник, обус­ловленные только нелинейностью входной цепи мощного усилительного каскада на биполярных транзисторах, могут достигать 3—8%, а интермодуляционные искажения в 1,6 раза больше гармонических. Общие же искажения достигают 15— 20%. Их уменьшение осуществляют за счет введения до­статочно глубокой отрицательной ОС, охватывающей мощный усилительный каскад. Ориентировочно можно считать, что коэффициенты гармоник и интермодуляционных искажений уменьшаются пропорционально глубине ОС:

где К—суммарный коэффициент гармоник каскада с ОС; γ — коэффициент ОС.

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтакт­ными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах А, В или А В. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме А. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его часто­тные характеристики.

Каскад с ОБ трансформаторным входом и трансформаторным выходом. Рассмотрим схему, представленную на рис. 4.42, а. Точка О, определяющая ток покоя транзистора (рис. 4.42, б), находится на линии статической нагрузки. Из точки на оси абсцисс с координатами Е, О проведена прямая под углом, тангенс которого равен (—1/r₁,), где r₁—активное сопротивление первичной обмотки трансформатора. Так как активное сопроти­вление первичной обмотки трансформатора достаточно мало, то линия нагрузки по постоянному току проходит почти вертикаль­но. Ток покоя /_э0 задается напряжением Е_э и резистором R_э.

Для построения линии динамической нагрузки (нагрузки по переменному току) сопротивление R_н приведено к первичной обмотке (R'_H). Через точку О проведена линия динамической нагрузки под углом, тангенс которого —1/ R'_H.

При подаче на вход синусоидального сигнала ток коллек­тора будет изменяться практически по синусоидальному закону с амплитудой 1_кт. Это является следствием перемещения рабочей точки по нагрузочной прямой в диапазоне от с до b в соответствии с мгновенным значением входного тока /_э.

Следует отметить, что напряжение U_Kc, соответствующее точке с нагрузочной линии, существенно превышает Е. Это возможно только при наличии трансформатора и объясняется тем, что энергия, накопленная индуктивностью намагничивания, при уменьшении тока вызывает появление ЭДС самоиндукции.

Мощность, рассеиваемая в нагрузке R'_H,

где U_Km и 1_кт — амплитудные значения напряжения и тока.

Для нахождения мощности в истинной нагрузке следует учитывать, что КПД трансформатора _тр<l, поэтому

Если выходная мощность задана, го, зная приблизительно _тр, можно найти мощность Р'_н, которую необходимо получить от каскада.

Рис 4.42. Схема однотактного выходного каскада с ОБ, работающего в режиме А (а); построение статической и динамической характеристик (б); определение среднего значения входного сопротивления (в)

На максимальные значения амплитуд токов и напряжений накладываются очевидные ограничения:

Для того чтобы наиболее полно использовать транзистор, координаты точки О нужно выбирать из условия получения максимальных требуемых амплитуд напряжения и тока кол­лектора, т. е.

где U_КЭтах и /_Кmax—соответственно максимально допустимое напряжение и ток для данного транзистора.

и найти коэффициент трансформации

Зная U_Kmmax и /_Kmmax, можно связать их с R'_н, т. е.

Усилительный каскад, работающий в режиме А, в первом приближении можно считать линейным. Поэтому мощность, отдаваемая источником питания, не зависит от входного сигнала:

Максимальный КПД имеет место при /_Kmmax ≈/ко и U_Kmmax ≈Е_к.

При этом он будет близок к своему максимально до­пустимому значению 0,5 (практически не выше 0,45). Если учесть потери в трансформаторе и цепях смещения (Е_э, R_э), то реально достижимый КПД находится в пределах 0,30—0,35.

Определим максимальную мощность, которую может отдать транзистор:

Не следует забывать, что максимальная мощность ограниче­на не только допустимыми напряжением и током, но и допусти­мой мощностью рассеяния на коллекторе Р_Кmax. В усилительном каскаде мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,

и КПД коллекторной цепи

Подставляя Р_о, получим

Отсюда можно записать приближенное неравенство, по­зволяющее выбрать транзистор по значению допустимой мощности рассеяния в коллекторной цепи:

Так как КПД коллекторной цепи _к<0,5, для оценки допустимой мощности рассеяния в коллекторной цепи можно использовать другое приближенное неравенство

Входную мощность, которую должен отдавать каскад предварительного усиления, обычно определяют приближенно. Это обусловлено нелинейностью характеристики /_э (U_ЭБ) (рис. 4.42, в). Поэтому берем усредненное значение входного сопротивления, которое для схемы с ОБ при больших токах

Тогда необходимая мощность на входе каскада

Коэффициент усиления по мощности каскада найдем как отношение Р'_н к Р_вх:

Учитывая, что /_кm≈/_эm, получим

Рис. 4.43. Выходные характеристики, поясняющие причины появления нелинейных искажений:а– питание входной цепи от источника тока. 6– питание входной цепи от источника напряжения

Из последнего выражения видно, что для повышения коэффициента усиления по мощности со­противление R'_н, желательно брать большим, поэтому заданную мощ­ность Р'_н целесообразно обеспечи­вать за счет повышения амплитуды выходного напряжения, а не тока.

Нелинейные искажения возника­ют в выходной (коллекторной) и во входной цепях. Они обусловлены зависимостью h*₂₁₆ от тока и нели­нейностью входной характеристики.

Если задать синусоидальный входной ток /_э(t), то кривая u_э(t) будет сильно искажена (рис. 4.43, а), но это почти не отражается на выходном напряжении, так как оно определяется током эмиттера.

Если задать синусоидальное на­пряжение U_э (питание от источника ЭДС), то ток /_э(/) будет несинусоидальным и, как следствие, наблюдаются сильные нелинейные искажения выходного сиг­нала (рис. 4.43, б).

Таким образом, для уменьшения нелинейных искажений, вызванных входной цепью, необходимо увеличивать сопротив­ление источника R'_г, тем самым функционально приближая источник сигнала к генератору тока. Однако при этом увеличиваются потери мощности на этом сопротивлении и по­этому R'_г выбирают обычно меньше R_{вх ср}.

Для уменьшения нелинейных искажений часто идут на снижение КПД и выбирают большое значение тока покоя /_э0. Он у мощных транзисторов может достигать десятков — сотен мА.

Коэффициент трансформации входного трансформатора Т1 определяют из уравнения

в котором R'_г иногда задают из условия согласования:

Для мощных выходных каскадов с ОЭ (рис. 4.44, а) в основном справедливо все сказанное выше. Однако имеются и некоторые отличия. Входная мощность этих каскадов значительно меньше (приблизительно в h*_21э раз) и соответственно больше коэффициент усиления по мощности. Влияние нелинейности входной характери­стики 1_Б(U_БЭ) на нелинейные искажения значительно больше, чем у каскада с ОБ. Как правило, отсутствует резистор в цепи эмиттера R_э, так как при больших токах его сопротивление должно иметь очень малое значение и емкость С должна быть очень большой.

Рис. 4.44. Схема выходного каскада с ОЭ, работающего в режиме А (а); его статическая и динамическая выходные характеристики (б)

Требуемое напряжение смещения обеспечивается с помощью диода VD. Вместе с резистором R₁ он образует делитель напряжения. Вследствие малого дифференциального сопротив­ления диода можно считать, что по переменному току соответствующий вывод обмотки трансформатора подключен к общей шине. Кроме того, с помощью диода осуществляется температурная стабилизация положения рабочей точки в ста­тическом режиме работы. Это обусловлено идентичностью температурных характеристик диода и эмиттерного перехода.

Выходные характеристики с линией нагрузки и построени­ями, поясняющими изменения тока и напряжения коллектора, возникающими при подаче входного сигнала, приведены на рис. 4.44, б.

Главное преимущество каскада с ОЭ перед каскадом с ОБ то, что его коэффициент усиления по мощности в пределе может быть в 1+ h*_21э раз больше. Однако на практике такой выигрыш в усилении по мощности реализовать не удается из-за меньшего значения U_КЭmах в схеме с ОЭ и соответственно более низкого сопротивления R'_н, которое можно использовать. Тем не менее оно достаточно большое, поэтому во многих случаях отдают предпочтение каскаду с ОЭ, несмотря на то что по остальным показателям он уступает каскаду с ОБ. У него: 1) использование рабочего диапазона напряжений хуже, чем в схеме с ОБ, из-за того, что напряжение в точке b принципиа­льно не равно нулю и, как следствие, каскад имеет меньший КПД; 2) температурная стабильность хуже, так как коэффици­ент h*_21э достаточно сильно изменяется с температурой и отсут­ствует сопротивление R._н в эмиттерной цени, с помощью которого обычно осуществляют термостабилизацию; 3) нели­нейные искажения выше, так как h*_21э, сильно зависит от тока.