12. Оконечные каскады и усилители мощности

Оконечным называется каскад, с выхода которого сигнал поступает в нагрузку усилителя. Оконечный каскад определяет КПД всего усилителя и предназначен для обеспечения требуемой мощности в нагрузке. Поэтому в качестве оконечных каскадов часто используют усилители мощности.

Основными задачами при проектировании усилителей мощности являются:

обеспечение режима согласования выходного сопротивления усилителя мощности с сопротивлением нагрузки: передача в нагрузку максимальной мощности;

достижение минимальных нелинейных искажений сигнала; получение максимального КПД ( ).

Высокое значение , которое необходимо обеспечивать в усилителях мощности, позволяет уменьшить тепловую мощность, а, следовательно,

повысить стабильность рабочей точки и снизить требования, предъявляемые к транзистору по тепловой рассеиваемой мощности. Однако, вследствие высокого КПД в усилителях мощности сильно проявляется нелинейность входных и передаточных характеристик. Поэтому усилитель мощности нельзя описывать системой Y-параметров, которая применима только лишь для описания линейных схем. Для описания усилителей мощности используют две группы параметров:

1. Стандартные параметры. Это параметры, которые характерны для всех усилителей: коэффициент усиления, АЧХ, ФЧХ, коэффициенты частотных и нелинейных искажений.

2. Специфические параметры, характерные только для усилителей мощности: энергетические параметры и информационные параметры.

126

Энергетические параметры усилителей мощности.

Основным энергетическим параметрам усилителя мощности (рис.12.1)

является его КПД ( ) – отношение полезной (отдаваемой в нагрузку) мощности

Pнагр , к потребляемой от источника питания мощности Pи.п. :			Pнагр	.
				Pи.п.
ИС		Pвых>Pc
	У.У.	Нагрузка
		Im , Um

Pип

ИП

I0, Eп

Рис.12.1. Структурная схема усилителя мощности

Мощность гармонического сигнала в нагрузке:

P		J	m			U	m		,	(12.1)
нагр	2			2

гдеJ_m,U_m – действующие значения тока и напряжения гармонического сигнала в нагрузке соответственно.

Мощность источника питания:

Pи. п. J 0 Eп .

(12.2)

Таким образом,

P’нагр

Jm Um

1 Jm Um

1

(12.3)

2

2

kiku.

P

J

0

E

п

2

J

0

E

2

потребл

Здесь ki и

ku

– коэффициент

использования

по напряжению и току

соответственно; E_п – напряжения питания.

Из формулы (12.3) видно, что для увеличения КПД необходимо увеличивать коэффициенты использования по току и напряжению. Значения этих коэффициентов зависит от номинала сопротивления нагрузки.

127

Рассмотрим два предельных случая:

1. Сопротивление нагрузки бесконечно мало (режим короткого замыкания на выходе): R_н 0. Тогда коэффициент использования по напряжению

ku 0 и, следовательно 0.
2) Сопротивление нагрузки велико	(режим холостого	хода	на	выходе):
Rн . Тогда коэффициент	использования по	току	ki	0 и,
следовательно 0.

На рис.12.2 приведена качественная зависимость КПД от номинала сопротивления нагрузки.

max

R_н

Rн opt

Рис. 12.2. Зависимость КПД от параметров нагрузки.

Из рис.12.2 видно, что имеется, по крайней мере, один максимум R_í .

Следовательно, для любого усилителя мощности имеется как минимум одно оптимальное значение сопротивления нагрузки, при котором КПД оказывается наибольшим. Поэтому при проектировании усилителя мощности следует таким образом выбирать параметры принципиальной схемы, чтобы при заданном значении сопротивления нагрузки обеспечить максимальное значение КПД и снизить тепловую рассеиваемую мощность транзистора P_расс .

Информационные параметры усилителей мощности

Любой усилитель может быть представлен как устройство, которое преобразует поступающую на него информацию (рис.12.3).

128

I	I*	В		усилителе		происходит
		перемножение двух потоков: потока
		информации и потока энергии. Поток
		информации		на	выходе	усилителя I*
W		должен совпадать с потоком информации
Рис.12.3 Усилитель, как устройство обработки		на его входе.		Это возможно только в том
информации. Здесь I – поток информации на
входе усилителя, W-поток энергии, I*-поток		случае,	когда		скорость		потока
информации на выходе усилителя.
		информации Cп			не будет превышать
пропускной способности усилителя Сус .
Скорость потока информации (Сп) зависит от ширины спектра сигнала (Fс)
и его динамического диапазона (Dс):
Cп Fс log2Dс .						(12.6)
Пропускная способность усилителя Сус				зависит от		его	полосы
пропускания Fус и динамического диапазона Dус :
C ус	Fус log2Dус .					(12.7)

Для усилителя мощности должно выполняться условие:

Fc log 2 Dc Fус log2 Dус

(12.8)

Согласно условию (12.8) существуют следующие варианты построения усилителей:

1. F_ус>F_с, D_ус>D_c. Это условие выполняется в линейном аналоговом усилителе мощности.

2. F_ус>>F_с, D_ус<<D_c. Это условие выполняется в ключевых усилителях мощности при условии высокого быстродействия ключей (усилители класса D).

129

Классификация усилителей мощности.

Усилители мощности принято классифицировать по принципу их

построения:

1. Аналоговые усилители мощности.

– усилители мощности класса А;

– усилители мощности класса AB;

– усилители мощности класса В.

2. Ключевые усилители мощности.

– ключевые усилители мощности с широтно-импульсной модуляцией

(ШИМ);

– ключевые усилители мощности с импульсно-кодовой модуляцией

(ИКМ);

– спектрально-ключевые усилители мощности;

– дискретно-аналоговые усилители мощности.

1. Однотактные усилители мощности класса А

• однотактном каскаде усиление осуществляется одним транзистором

(рис.12.4).

		Еп
R1		Rк
		Ср
Ср		Rн
R2	Rэ	Cэ

Рис.12.4. Принципиальная схема усилителя мощности класса А.

Транзистор работает в режиме А: рабочая точка выбирается на середине линейного участка проходной характеристики (рис. 12.5в), на середине нагрузочной прямой (рис. 12.5.б). Точки B и C определяют максимальные границы используемого участка нагрузочной прямой. Точка B лежит на границе

130

с состоянием насыщения, а точка C – на границе с запертым состоянием

	транзистора.
Iб	Iк		Iк
Iб3	Iк3	B	Iк3
Iб2	Iк2		Iк2
		C
Iб1	Iк1		Iк1
	Uбэ		Eг
		Uкэ
	U бэ1 U бэ 2 Uбэ3		Eг1 Eг2 Eг3
	а)	б)	в)

Рис.12.5. Выбор рабочей точки и построение нагрузочной прямой усилителя класса А

Для усилительных каскадов класса А максимальное значение КПД составляет 50%. На практике 0,9 _max , т.е. 30%.

Стремление повысить КПД усилителей мощности класса А приводит к увеличению коэффициентов использования по току и напряжению. В этом случае амплитуда сигнала приближается к границам линейного участка, что приводит к увеличению коэффициента гармоник. Для оценки нелинейных искажений в усилителях мощности можно использовать графоаналитический метод.

Графоаналитический метод определения коэффициента гармоник

однотактного усилительного каскада.

По сквозной характеристике прямой передачи можно вычислить амплитуды выходного тока каскада. На рис. 14.6. показано построение кривой тока коллектора при гармоническом сигнале на входе транзистора. Причем,

будем считать, что на вход оконечного каскада подается неискаженная синусоида. На выходе получаем сигнал с искажениями.

131

Iк

a

I0 ^c

Im _b

Uвх

Umax

Рис.12.6. Проходная характеристика усилителя.

Для того чтобы оценить, какие новые гармоники появились в выходном сигнале удобно разложить выходной сигнал в ряд Фурье. Поскольку гармоническая функция является четной, то ее разложение в ряд Фурье содержит косинусы с нулевыми начальными фазами. Как правило,

ограничиваются тремя членами разложения, поскольку амплитуда высоких гармоник, как правило, невысока, и их можно не учитывать.

ik t I ср I m1 cos t I m 2 cos2 t ...

(12.9)

Здесь I_ср – среднее значение или постоянная составляющая; I _m1 , I _{m 2} , I_m3... –

амплитуды гармоник тока коллектора.

На сквозной передаточной характеристике отмечают пять точек (рис. 12.6),

соответствующих амплитудным значениям и половинам амплитуд полуволн

Uвх , а также значению Uвх 0. Ординаты ik ,	соответствующие этим пяти
точкам обозначим I max , I 0,5 , I 0 , I 0,5 , Imin . Для точки «1» t 0 имеем:
I max I ср I m1 I m 2 I m 3 Im4	(12.10)

Аналогичные выражения записываются для остальных пяти точек. В

результате получаем систему из пяти уравнений с пятью неизвестными. Из этой системы и определяются амплитуды гармоник и среднее значение тока:

132

Im1

I max I min I 0,5 I 0,5

;

3

Im2

I max I min

2I0

;

4

Im3

I max I min

2

I 0,5 I 0,5

(12.11)

;

6

Im4

I max I min 4 I 0,5

I 0,5 6I0

;

12

Iñð

I max I min

2 I 0,5 I 0,5

.

6

Коэффициент гармоник можно определить следующим образом:

	I	2	I	2	I	2
KГ		m 2		m 3		m4	.	(12.12)
			Im1

Если при расчетах коэффициент гармоник получился больше заданного, то его необходимо снижать. Существует два основных способа снижения коэффициента гармоник:

Уменьшение амплитуды входного сигнала. Этот способ применим не всегда, так как амплитуда сигнала в нагрузке часто является величиной заданной.

Введение отрицательной обратной связи (ООС). При введении ООС коэффициент гармоник уменьшается в фактор обратной связи раз (в F раз).

Расчет однотактных усилителей класса А аналогичен расчету каскадов предварительного усиления. Достоинства однотактных усилителей класса А:

простота схемной реализации, простота расчета, низкий коэффициент гармоник. Недостатки усилителей класса А: низкий КПД.