2.5. Усилители мощности

Усилители мощности предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажения в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение в нагрузке возможно большей мощности.

Поскольку выходной каскад усилителя мощности работает с большими амплитудами сигналов, то при его анализе вследствие нелинейности ВАХ транзисторов пользоваться малосигнальной эквивалентной схемой нецелесообразно. Обычно в усилителях мощности используют графический (или графо-аналитический) метод расчета по входным и выходным характеристикам.

Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность , коэффициент полезного действия , коэффициент нелинейных искажений и полоса пропускания АЧХ. Величины и во многом определяются режимом покоя транзистора – классом усиления. Поэтому рассмотрим классы усиления, используемые в усилителях мощности.

Для всех рассмотренных выше усилителей предполагалось, что они работают в режиме класса А. Выбор рабочей точки покоя (см. рис. 2.7,а) в режиме класса А производится таким образом, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора, а значение тока покоя располагалось посередине этого линейного участка. На выходной ВАХ транзистора (см. рис. 2.7,б) класс А характерен расположением рабочей точки (и ) на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. Поскольку в режиме класса А работа происходит на почти линейных участках ВАХ, усилитель мощности в этом режиме имеет минимальные нелинейные искажения ().

Введем понятие угол отсечки - это половина времени на период, в течение которого транзистор открыт, т. е. через него протекает ток. При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии (нет отсечки тока), следовательно, . Поскольку потребление мощности происходит в любой момент времени, в усилителе мощности, использующем режим класса А, имеет место невысокий . Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения, а и не играют решающей роли.

Мощные варианты выходных каскадов часто используют режим класса В. В классе В (рис. 2.26), т. е. в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источников питания. Транзистор находится в открытом состоянии лишь в течение половины периода входного сигнала, т. е. . Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в усилителях мощности, использующих режим класса В, повышенный .

Для класса В характерна так называемая двухтактная схема, состоящая из двух усилителей, один которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой – отрицательную. В нагрузке эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду. Существенным недостатком режима класca В является высокий уровень нелинейных искажений ().

Класс АВ занимает промежуточное положение между классами А и В. Он также применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя здесь транзистор лишь приоткрыт, в нем протекает небольшой ток (рис. 2.27), выводящий основную часть рабочей полуволны на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Угол отсечки в классе АВ достигает 120—130°. Поскольку мал, то здесь выше, чем в классе А, ближе к классу В. Нелинейные искажения усилителя, использующего класс АВ, относительно невелики ():

Для класса С в усилителе имеет место начальное смещение, соответствующее режиму отсечки транзистора, т. е. в режиме покоя транзистор заперт напряжением смещения на базе. В результате . Класс С находит применение либо в очень мощных усилителях, где основным фактором является предельно высокий , а нелинейные искажения несущественны, либо в генераторах или резонансных усилителях , где высшие гармоники в выходном сигнале устраняются с помощью резонансного контура.

В мощных транзисторных преобразователях постоянного напряжения находят применение автогенераторные устройства, в которых транзисторы работают в режиме класса D. Этот класс определяет ключевой режим работы транзистора: открыт или закрыт (насыщен – заперт). Работа в режиме класса D осуществляется на прямоугольных импульсах и характеризуется минимальными потерями мощности.

В современной микроэлектронике широко используются двухтактные усилители мощности без применения трансформаторов. Такие усилители имеют небольшие габариты и массу, повышенную надежность и просто реализуются в виде ИМС.

В микроэлектронике широко используются двухтактные бестрансформаторные усилители мощности, выполненные на комплементарных транзисторах (n-р-n и р-n-р-типа). Такие усилители мощности принято называть бустерами. Различают бустеры тока и напряжения. Если бустер тока предназначен для усиления тока, то бустер напряжения усиливает не только ток, но и напряжение. Поскольку усиление напряжения обычно, осуществляется предыдущими каскадами многоканального усилителя, наибольшее распространение получили выходные каскады в виде бустера тока.

На рис. 2.36 приведена принципиальная схема простейшего варианта бустера тока класса В. Здесь использованы n-р-n-транзистор и p-n-р-транзистор , базы которых подключены непосредственно ко входу усилителя. Особо обратим внимание на использование двухполярного питания (двух напряжений питания и - Е).

При подаче на вход бустера положительной полуволны открывается транзистор и через нагрузку потечет ток в направлении, указанном стрелкой. При подаче отрицательной полуволны открывается транзистор , и ток через нагрузку изменяет свое направление на противоположное. Таким образом, на сопротивлении будет формироваться переменный выходной сигнал.

Оба транзистора в рассматриваемом бустере включены по схеме ОК. Подчеркнем, что каскад ОК очень хорошо подходит для его использования в усилителе мощности, поскольку имеет малые коэффициенты нелинейных искажений и . Кроме того, каскад ОК характерен большим , что позволяет хорошо согласовывать его с предыдущим каскадом усилителя напряжения. Напомним, что эти преимущества, а также малые частотные искажения имеют место в каскаде ОК за счет 100%-ной последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице.

На рис. 2.36 показано, что не отделено от самого усилителя никаким разделительным элементом, т. е. имеет место гальваническая связь каскада с нагрузкой. Это чрезвычайно важное обстоятельство становится возможным благодаря использованию двух источников питания (или одного с общей средней точкой). При этом потенциал на эмиттерах транзисторов в режиме покоя равен нулю, а в нагрузке будет отсутствовать постоянная составляющая тока. В выходной цепи обычного каскада ОК (см. рис. 2.14) конденсатор должен иметь большой номинал для получения приемлемых значений , однако реализовать такой конденсатор в ИМС чрезвычайно сложно. Таким образом, использование двухполярного питания, что широко распространено в ИМС, позволяет получать мощные надежные усилители переменного и постоянного токов. При использовании дискретных транзисторов следует выбирать комплементарные пары с близкими значениями своих параметров. Такие пары транзисторов выпускаются отечественной промышленностью: КТ502 и КТ503, КТ814 и КТ815, КТ818 и КТ819 и др.

Необходимо отметить, что существенным недостатком бустера (рис. 2.36) является большой (более 10%), что и ограничивает его использование на практике. Свободным от этого недостатка является бустер класса АВ, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.37. Токи покоя транзисторов здесь задаются с помощью резисторов и , а также диодов и . При интегральном исполнении в качестве диодов используются транзисторы в диодном включении. Напомним, что падение напряжения на прямосмещенном кремниевом диоде составляет примерно 0,7 В, а в кремниевых ИМС с помощью диодов осуществляется термокомпенсация рабочего режима.

В режиме покоя входная цепь рассматриваемого бустера потребляет малую мощность (менее 5% ). Сопротивление вводится для лучшего согласования с предыдущим каскадом усилителя. Обычно . Токовый бустер (рис. 2.37) позволяет обеспечить в нагрузке ток при мощности Вт.

При необходимости получения большей мощности можно использовать более сложные схемы бустера, в которых применяются как комплементарные, так и мощные выходные однотипные транзисторы. Для снижения нелинейных искажений рекомендуется бустер и предыдущий усилительный каскад охватывать общей глубокой ООС.