12.2. Двухтактные усилители мощности
Двухтактным называется каскад, в котором объединены два однотактных усилительных каскада, работающих на одну общую нагрузку и управляемых взаимно противофазно одним и тем же усиливаемым колебанием. В
133
соответствии с этим двухтактный каскад состоит из двух плеч. Напряжение на нагрузке получают путем взаимного вычитания выходных колебаний плеч,
чтобы они суммировались, несмотря на противофазное управление. Благодаря противофазному управлению и вычитанию происходит частичная компенсация нелинейных искажений, вносимых плечами. В двухтактном каскаде могут быть использованы следующие режимы работы активного элемента: А, АВ, В.
Для усилителей класса B ток покоя транзистора мал, что предполагает пониженный расход мощности источника питания. Угол отсечки в таком режиме работы составляет /2. На рис. 12.7 приведено положение рабочей точки на проходной характеристики транзистора в режиме B.
Iк
Im
-
t
кл. B
U
t
Рис.12.7. Проходная характеристика с рабочей точкой активного элемента, работающего в
каскаде класса B
Из рис.12.9 видно, что коэффициент использования транзистора по току, в
каждом из плеч больше единицы:
-
ki
Jm
1.
(12.13)
J0
Коэффициент гармоник в каждом из плеч оказывается недопустимо большим и составляет более 43%. Поэтому, для уменьшения коэффициента гармоник транзисторы двухтактного усилителя мощности класса B работают строго поочередно: каждый пропускает полуволну тока только в свой период колебаний. Во вторую половину периода транзистор заперт, и фактически не потребляет ток от источника питания.
134
Усилитель класса B обеспечивает высокий КПД, но вносит значительные нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью начального участка передаточной характеристики рис. 12.7. Вследствие этого совмещенная характеристика обоих транзисторов, представляющая зависимость их разностного тока, имеет подобие ступеньки вблизи перехода через нуль рис. 12.8. Поэтому такие искажения получили названия искажения «типа ступеньки».
Iр
t
Рис.12.8. Искажения типа ступеньки в усилителях мощности класса B
Для устранения этого типа искажений в усилителях используют режим AB,
в
котором подается большее смещение
рабочей точки транзисторов: транзистор
работает с углом отсечки
2
.
При
работе в классе
AB
при
малых
токах работают оба плеча одновременно,
подобно классу A
и нелинейности характеристик плеч
взаимно компенсируются. Однако КПД
усилителя в этом случае понижается по
сравнению с классом B.
Двухтактные каскады класса AB являются самым распространенным,
поскольку обеспечивают высокий КПД и небольшие нелинейные искажения.
Двухтактные усилители на транзисторах противоположного типа
проводимостей
Такой вариант схемного решения обычно используется при малых требуемых мощностях выходного сигнала (10–15 Вт). Это объясняется тем, что чем больше мощность выходного сигнала, тем больше и рассеваемая транзисторами мощность, т.е. тем выше температура. Увеличение температуры приводит к ухудшению стабильности параметров активных элементов. Таким
135
образом, основным недостатком таких схем является необходимость подбора двух активных элементов по своим характеристикам.
На практике параметры серийно выпускаемых транзисторов имеют разброс параметров более 100%. Поэтому в двухтактных схемах усилителей мощности класса В с активными элементами разного типа проводимости рекомендуется использовать комплиментарные пары транзисторов:
транзисторов с разным типом проводимостей, но с близкими характеристиками.
Принципиальная схема усилителя мощности класса В на транзисторах с разным типом проводимости представлена на рис. 12.9.
+Eп
R1
Rнагр
R0
Cр
R2
-Eп
Рис.12.9 Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности класса В на транзисторах
разного типа проводимости
Элементы R0, R1, R2 – элементы задания рабочей точки транзисторов.
Сопротивление R0 обеспечивает тепловую обратную связь, т.е. обеспечивает термостабилизацию рабочей точки. При конструктивной реализации сопротивление R0 размещают на одном радиаторе с транзисторами. В качестве термосопротивления часто используют диоды в прямом включении. Для обеспечения симметрии в схеме число диодов должно быть четным.
Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности класса В с диодной термокомпенсацией приведена на рис. 12.10.
136
Eп
R1
Cр
Cр
R2
Rн
Рис.12.10. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности с диодной
термокомпенсацией
Расчет элементов делителя осуществляется по методике расчета каскадов предварительного усиления. Ток делителя выбирается из условия:
-
I дел
E
3 5 I Б 1 IБ2
(12.14)
R R
R
1
2
0
Для защиты транзисторов от короткого замыкания на выходе необходимо предусмотреть средства защиты каскада от короткого замыкания по выходу.
Двухтактные усилители на транзисторах одного типа проводимости.
Усилитель состоит из устройства формирования противофазных сигналов
и усилителей противофазных сигналов (рис.12.11).
-
Eп
R1
VT1
VT3
R0
R3
Cр
Cр
а
Vt2
VT4
R2
R4
Rн
Рис.12.11. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности на транзисторах одного
типа проводимости
137
Устройство формирования противофазных сигналов выполнено на транзисторах VT1, VT2. На транзисторах VT3, VT4 выполнен двухтактный усилитель мощности. Необходимым условием работы схемы является выполнения требований по температурной стабилизации рабочей точки всех транзисторов одновременно. В приведенной на рис.12.11 схеме используется метод термокопенсации рабочей точки (сопротивление R0 ). В схеме,
приведенной на рис.12.11 используется 100% ООС, поэтому такой усилитель мощности не обеспечивает усиления по напряжению.
Для того, чтобы убрать из схемы рис.12.11 разделительный конденсатор следует использовать двухполярный источник питания. Особенность построения усилителя такого усилителя мощности заключается в необходимости выбора транзисторов VT3, VT4 с одинаковыми характеристиками: постоянный потенциал в точке a должен быть равен нулю.
Основным недостатком всех аналоговых усилителей мощности является низкий КПД схем. Для усилителей мощности класса A предельное значение КПД составляет 50 %, для аналоговых усилителей мощности класса В и АВ –
75 80%. Устранить этот недостаток можно использованием ключевых усилителей мощности.
Ключевые усилители мощности
ключевых усилителях транзисторы работают в каскадах класса D.
Поэтому мощность потерь в транзисторах очень мала, что и обеспечивает высокий КПД. Применение ключевого режима для усиления непрерывных сигналов основано на сглаживании в нагрузке импульсов тока транзистора.
Представление аналогового сигнала в цифровом (импульсном) виде базируется на теореме Котельникова: аналоговый сигнал сколь угодно точно можно представить отсчетами с частотой, равной удвоенной верхней частоте спектра сигнала:
138
Fотсч 2Fв – для идеальных восстанавливающих фильтров
(12.15)
Fотсч 5...10 Fв – для реальных восстанавливающих фильтров
Ключевой усилитель мощности с широтно-импульсной модуляцией (КУМ
с ШИМ).
Структурная схема такого усилителя представлена на рис.12.12.
-
+Eп
5
Lф
ЭК
C
ф
Rн
-
3
Uс
1 Модулятор
2
ГТИ
ШИМ
4
-Eп
ЭК
Рис.12.12. К1, К2 – электронные ключи, ГТЧ – генератор тактовой частоты,
LфCф – восстанавливающий фильтр
|
|
Принцип работы схемы поясняют временные диаграммы рис. 12.13. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
В точках 3 и 4 сигнал представляет собой широтно-импульсно |
| |||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
модулированный |
сигнал, |
в |
котором |
| |||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
информативным |
параметрам |
является |
| ||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
длительность импульса. Длительность импульса |
| ||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прямо пропорциональна амплитуде аналогового |
| |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
сигнала |
1. |
Частота |
следования |
импульсов |
| ||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выбирается согласно |
теореме |
Котельникова и |
| |||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
задается ГТЧ. |
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||
|
+Eп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
На |
рис. |
12.13. |
приведены |
временные |
| |||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||||||||||
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
диаграммы, |
поясняющие работу |
ключевого |
| |||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
усилителя мощности с ШИМ. 1–сигнал на входе |
| ||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||
|
-Eп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КУМ с ШИМ; 2–тактовые импульсы на выходе |
| ||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||
|
Рис. 12.13 Временные диаграммы |
генератора тактовых импульсов; 3– выходной |
| |||||||||||||||||||||||||||||||
139
сигнал с модулятора ШИМ, соответствующей положительной полуволне синусоиды входного сигнала 1; 4– выходной сигнал с модулятора ШИМ,
соответствующей отрицательной полуволне синусоиды входного сигнала 1; 5–
усиленный сигнал с обоих выходов модулятора ШИМ.
После прохождения суммированного после ключей сигнала через восстанавливающий фильтр в нагрузку подается аналоговый сигнал 6.
Для увеличения КПД схемы необходимо использовать быстродействующие ключи, которые имеют минимальное сопротивление в открытом состоянии и максимальное сопротивление в закрытом состоянии.
КПД ключевых усилителей с ШИМ при больших амплитудах входного сигнала достаточно высок и составляет ~90%.
Ключевой усилитель мощности с импульсно-кодовой модуляцией
(КУМ с ИКМ).
Принцип построения ключевого усилителя мощности с ИКМ основан на преобразовании аналогового сигнала в цифровой код, с последующим его усилением и обратным преобразованием цифрового кода в аналоговый сигнал.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой код осуществляется с помощью АЦП. Структурная схема такого усилителя мощности представлена на рис. 12.14.
-
ЭК1
Uс
E0
АЦП
ЭК2
2 E 0
ФНЧ
ЭК3
Rн
ГТИ
4 E 0
ЭК4
8 E 0
Рис.12.14. Структурная схема усилителя мощности с ИКМ
Работу схемы можно пояснить на временных диаграммах, приведенных на рис. 12.14: 1 – сигнал на входе усилителя мощности с ИКМ; 2 – тактовые импульсы на выходе генератора тактовых импульсов; 3 – совокупность
140
|
импульсов на выходах электронных ключей, огибающая которых совпадает по |
| ||||||||||
|
форме с входным сигналом 1; 4 – сигнал в нагрузке, после ФНЧ. |
|
|
| ||||||||
|
1 |
|
В |
зависимости |
от |
мгновенной |
амплитуды |
| ||||
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
входного сигнала коммутируется соответствующий |
| ||||||||
|
|
|
этому |
уровню |
амплитуды |
электронный |
ключ. |
| ||||
|
2 |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом на выходе сумматора имеем |
| |||||||||
|
|
|
| |||||||||
|
|
|
последовательность импульсов, амплитуда которых |
| ||||||||
|
3 |
t |
пропорциональна амплитуде входного сигнала. |
| ||||||||
|
|
|
Достоинством |
рассматриваемой |
схемы |
| ||||||
|
4 |
|
является |
отсутствие |
|
ограничений |
на |
| ||||
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
быстродействие электронных ключей. |
|
|
| ||||||
Рис.12.14 Временные
диаграммы для КУМ с ИКМ на
рис.14.16.
Основными недостатками данной схемы КУМ являются:
При высоких требованиях к точности обработки сигнала возрастает число электронных ключей. Увеличивается число каналов, и габариты схемы растут.
В широкой полосе частот сложно реализовать восстанавливающий фильтр. Для устранения этого недостатка всю полосу рабочих частот разбивают на отдельные полосы. Усиление осуществляется в каждой полосе отдельно. Такой тип усилителей получил название спектрально-ключевые усилители мощности.
Спектрально-ключевые усилители мощности (СКУМ)
Принцип построения СКУМ заключается в разбиении всей широкой полосы частот на узкие полосы с последующим усилением сигнала в каждой полосе отдельно.
Число каналов зависит от требуемого качества восстановления сигнала, а
также от глубины регулировки АЧХ в усилители. Структурная схема СКУМ
141
приведена на рис. 12.15.
-
Фильтр1
КУМ1
Фильтр
вых.1
Фильтр2
КУМ2
Фильтр
вых.2
Фильтр
Фильтр
n КУМn
вых. n
Рис. 12.15. Структурная схема спектрально-ключевого усилителя мощности
Входные фильтры предназначены для разбиения АЧХ на узкие полосы частот. КУМ – ключевой усилитель мощности, построенный по любой из приведенных выше схем. Выходные фильтры предназначены для восстановления сигнала в каждой полосе отдельно. За счет эффективного восстановления сигнала повышается КПД всего усилителя. Если коэффициент усиления каждого из КУМ сделать регулируемым, то усилитель, приведенный на структурной схеме рис.12.15, может работать как эквалайзер.
Дискретно-аналоговые усилители мощности
Схемные решения ключевых усилителей мощности (КУМ) оказываются намного сложнее схем аналоговых усилителей мощности. Не имеет смысла использовать КУМ во всем диапазоне усиливаемых частот. Так, например, в
звуковом диапазоне (1 Гц 25 кГц) основная мощность сигнала сосредоточена в полосе 1 Гц 3 кГц. Поэтому в звуковом диапазоне имеет смысл использовать КУМ только в этой полосе, а в полосе 3 кГц 25 кГц – аналоговые усилители мощности. Таким образом, схема разбивается на два канала рис.12.16.
-
ФНЧ
КУМ
Uс
Kuс
ФВЧ
АУМ
Рис.12.16. Структурная схема дискретно-аналогового усилителя мощности
142
Такая схема позволяет в себе сочетать достоинства аналоговых и ключевых усилителей мощности. Высокое значение КПД (~100%) для ключевых усилителей мощности и низкое значение коэффициента шума аналоговых усилителей мощности.
Общим недостатком всех ключевых усилителей мощности является высокий уровень коммутационных помех. Наличие мощных помех коммутации приводит к проблеме электромагнитной совместимости в таких усилителях.
Контрольные вопросы
54) Какие усилители называются усилителями мощности? а) Усилители, которые усиливают входное напряжение. б) Усилители, которые усиливают входной ток
в) Усилители, которые усиливают входной ток и входное напряжение.
55) В чем состоит отличие усилителей мощности от каскадов предварительного усиления? а) усилители мощности работают в линейном режиме б) усилители мощности работают в нелинейном режиме
в) усилители мощности ничем не отличаются от каскадов предварительного усиления 56) Что такое коэффициент гармоник? Приведите метод расчета коэффициента гармоник.
-
а)
отношение коэффициента усиления на какой-либо частоте к номинальному
коэффициенту усиления
б)
определяется выражением KГ
I m2
2 I m2 3 Im2
4
Im1
в
)
то же, что и коэффициент усиления
Как нужно изменить принципиальную схему двухтактного усилителя мощности для того, чтобы убрать разделительную емкость на выходе?
а) использовать двухполярное напряжение питания б) включить усилитель мощности в обратную связь операционному усилителю
в) обеспечить симметрию плеч двухтактного усилителя мощности.
Почему в двухтактных усилителях мощности возникают искажения типа «ступенька»? Назовите способы борьбы с этим типом искажений.
а) причина искажений типа ступенька заключается в том, что усилитель работает в режиме А
б) причина искажений типа ступенька заключается в том, что усилитель работает в режиме В
в) причина искажений типа ступенька заключается в том, что усилитель работает в режиме АВ