Выходные усилители мощности

Выходные усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадного усилителя и предназначены для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_Н при заданном сопротивлении нагрузки R_Н, как правило, низкоомной. Получение на выходе усилителя большой мощности предполагает работу его транзисторов при больших значениях токов и напряжений. Отсюда следует, что одним из основных параметров усилителя становится его КПД. К тому же переменные составляющие токов и напряжений в этом случае соизмеримы с постоянными составляющими сигналов. На свойства усилителя сильно влияют связь параметров транзистора с режимами его работы и нелинейность характеристик.

В выходных усилителях мощности должны использоваться транзисторные каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые цепи ООС должны быть только по напряжению. Это обусловило применение в усилителях мощности только двухтактных схем усиления, обеспечивающих работу транзисторов в режимах класса В и АВ. Усилители, работающих в режиме класса А (выходной транзистор всегда в открытом состоянии), имеют малое КПД, поэтому при больших мощностях сигналов такие схемы используется редко.

На рис. 3.9.1. показана двухтактная схема усилителя мощности, работающая в режиме класса В. Усилитель, собранный на двух биполярных транзисторах различного типа проводимости, имеющих одинаковые параметры, получил название комплементарный усилитель. Транзистор VT₁ открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор VT₂ – при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторный ток отсутствует и мощность, рассеиваемая на транзисторах, близка к нулю. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт, максимально возможный коэффициент полезного действия схемы составляет 78%.

Рис. 3.9.1. Двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме класса В

Этой схеме присуще следующее свойство: выходной сигнал повторяет входной с разницей на величину падения напряжения U_БЭ, на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале наоборот. Для синусоидального входного сигнала выходной будет таким, как показано на рис. 3.5.4., а. Такое искажение сигнала называется переходным искажением. Для улучшения формы сигнала нужно немного сместить двухтактный каскад в состояние проводимости, как показано на рис.3.9.2.

Рис. 3.9.2. Двухтактный усилитель, работающий в режиме класса АВ

Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря чему этому напряжение на базе VT₁ превышает входное напряжение на величину напряжения на диоде, а напряжение на базе VT₂ на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. При нулевом входном сигнале оба транзистора немного приоткрыты, их рабочие точки находятся в начале линейного участка входных характеристик (рис. 3.5.1.). Резистор R выбран так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала. В этой схеме несколько увеличивается мощность, рассеиваемая на транзисторах, и уменьшается КПД.

Для улучшения параметров схемы часто используют двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис. 3.9.3). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R₁ и R₂), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах VT₁ и VT2. Поскольку напряжение на нагрузке R_Н примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

Рис. 3.9.3. Усилитель мощности с ОУ

Рассмотренный выше усилитель имеет один серьезный недостаток: он не обладает температурной стабильностью. При нагревании выходных транзисторов (они нагреваются, так как рассеивают мощность), напряжение U_КЭ начинает убывать, а коллекторный ток покоя — возрастать. Выделяющееся при этом дополнительное тепло усугубляет положение и повышает вероятность того, что в схеме получится неконтролируемая тепловая положительная обратная связь (эта вероятность зависит от ряда факторов: насколько велик радиатор для отвода тепла, совпадает ли температура диодов с температурой транзисторов и т.д.). Для исключения этого эффекта используют схему с параметрической температурной стабилизацией режима (рис. 3.9.4.).

Для примера здесь показан случай, когда входной сигнал снимается с коллектора предшествующего каскада, резистор выполняет двойную функцию: он является коллекторным резистором транзистора VT₁ и формирует ток для смещения диодов и смещающего резистора в основной двухтактной схеме. Резисторы R₃ и R₄ обычно имеют сопротивление несколько Ом и ниже, они уменьшают влияние критического смещения тока покоя: напряжение между базами выходных транзисторов должно быть немного больше, чем удвоенное падение напряжения на диоде, дополнительное падение напряжения обеспечивает регулируемый резистор смещения R₂ (иногда его заменяют еще одним диодом).

Рис. 3.9.4. Усилитель с температурной параметрической стабилизацией режима

Падение напряжения на резисторах R₃ и R ₄ составляют несколько десятых долей вольта, благодаря этому температурное изменение напряжения U_БЭ не приводит к быстрому возрастанию тока (чем больше падение напряжения на R₃ и R₄, тем менее чувствителен к температуре усилитель) и схема работает стабильно. Стабильность увеличивается, если диоды имеют тепловой контакт с выходными транзисторами (размещены на их корпусе).

Еще одно преимущество схемы состоит в том, что регулировка тока покоя позволит управлять величиной переходных искажений. При выборе тока покоя следует найти компромисс между уменьшением искажений и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя.