Каскады усилителей мощности

Основным назначением выходного каскада является передача в нагрузку максимальной и необходимой мощности, близкой к предельной для данного типа транзистора, при наименьшем потреблении мощности от источника питания и допустимых уровнях искажений.

Поэтому выходной каскад это каскад мощности. Основными показателями такого каскада являются:

· Отдаваемая в нагрузку мощность,

· К.П.Д.,

· Уровень нелинейных искажений и допустимая частота пропускания.

Нелинейные искажения и К.П.Д. зависят от начальной точки покоя транзистора. Поэтому важным при выборе выходного каскада является режима работы. При больших сигналах нелинейные искажения могут возникать как из-за нелинейности входных, так и выходных характеристик транзисторов.

Основываясь на проведенных рассуждениях можно, по выходным характеристикам транзисторов рис. 4.1. показать, что усилители могут быть трех классов

1. А - точка покоя выбирается такой, что при движении по линии нагрузки она не выходит ни в одну нелинейную зону.

2. В - точка покоя находится в крайнем правом положении на характеристике I_б=0. Таким образом, такой усилитель усиливает только одну полуволну входного сигнала. Как правило, такие усилители работают по двухтактной схеме.

3. АВ - Промежуточный класс, он позволяет снизить нелинейность, но не устраняет ее полностью.

При жестких требованиях к нелинейным искажениям выходные каскады работают в классе А. Высокий К.П.Д. можно получить в классах В, АВ.

Как правило, выходное сопротивление усилителей мощности велико, а сопротивление нагрузки мало и поэтому в каскадах используется трансформаторная связь, что позволяет получить высокие значения неискаженной мощности.

При трансформаторном включении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не протекает через нагрузку, что уменьшает расход потребляемой мощности питания и повышает К.П.Д.

Рис.2.34. Выходные характеристики усилителя мощности.

.

Усилители класса А

Такие усилители предназначены для получения определенной мощности на нагрузке. В таких усилителях применяется трансформаторная связь с нагрузкой рис 2.35. При трансформаторном включении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не протекает через нагрузку, что уменьшает расход потребляемой мощности питания и повышает К.П.Д.

Режим покоя (U_вх=0). За счет смещения появляются токи: I_бп., I_кп = βI_бп+(1+β)I_кбо

Если трансформатор идеален, сопротивление первичной обмотки трансформатора постоянному току равно нулю и U_кп = Е_к

При U_вх >0 появляется приращение ΔI_б, ΔI_к = βΔI_б. Нагрузкой является:

R_н^/=R_нω₁²/ω₂². Как было сказано раннее, необходимым параметром является К.П.Д.

где

Рис.2.35 Однотактный усилитель мощности.

Рис.2.36. Зависимости η = f (ξ), Р_к=f(ξ), для усилителя класса А

На основе полученных кривых можно сделать выводы:

1. К.П.Д. - мах значение получается при значительном входном сигнале.

2. Мощность, потребляемая от источника, не зависит от величины входного сигнала.

3. Мах значение мощности потерь получаем в режиме покоя.

Такие усилители предназначены для передачи двухполярных сигналов. При этом они обладают рядом недостатков:

· Низкий К.П.Д., особенно при малом входном сигнале,

· Р_о не зависит от входного сигнала и в режиме покоя расходуется впустую,

· Наличие трансформатора определяет неблагоприятный характер частотных характеристик,

· Невозможност ь передачи однополярных сигналов

Усилители класса В

В таких усилителях нагрузка включается непосредственно в коллекторную цепь

рис 2.37. В режиме покоя, когда u_вх = 0, смещение на базу транзистора не подается и

I_кп = 0, Р_н = 0, т.е. нагрева транзистора в режиме покоя нет. При подачи на базу положительного входного сигнала ток коллектора увеличивается, появляется падение напряжения на коллекторном сопротивлении. При отрицательном сигнале выходное напряжение равно нулю, т.е. такой усилитель, может усиливать сигналы одной полярности. Это исключает применение трансформатора для связи с нагрузкой.

Рис.2.37. Однотактный усилитель класа В

Определим К.П.Д. каскада для случая указанного сигнала. Мощность, отдаваемую в нагрузку определим с учетом того, что в данном случае действующее значение U_вых=U_выхм

/R_н=

Мощность, потребляемая от источника, зависит от среднего тока, протекающего через нагрузку ξЕ_к²/R_н

Получаем К.П.Д ή=ξ

Из рассмотренных кривых рис. 2.37. можно сделать следующие выводы:

· К.П.Д. каскада класса В выше, чем в схеме рис. 2.36, особенно при малых и средних сигналов u_вх.

· Мощность, потребляемая от источника Е_к, минимальна в режиме покоя и увеличивается при росте u_вх.

· Мощность потерь максимально при средних значениях ξ, но намного меньше, чем максимальная мощность потерь в схеме 2.36. При малых ξ, Р_к мала, так как малы токи через транзистор, при больших ξ Р_к также мала, поскольку падение напряжения на нагрузке велико, а падение напряжения на транзисторе u_k = E_k – u_вых. мало.

Все сказанное позволяет сделать вывод, что усилители класса В имеют преимущества перед каскадами класса А. Невозможность усиления двухполярных сигналов преодолена в двухтактном усилителе мощности.