Усилители мощности
I. Лекция № 10. Усилители мощности.
В линейном режиме работы усилителей коэффициент усиления, например Kр = Рвых / Рвх , может быть большим, но КПД η = Рвых / Ро мал, так как переменные токи и напряжения много меньше их средних постоянных значений и мощность выходного сигнала много меньше мощности, отбираемой от источника питания, Рвых<<Ро. Чтобы получить большой КПД, надо иметь переменные токи и напряжения сравнимыми с постоянными, при этом характеристики усилителя становятся нелинейными. На рисунке приведена типичная зависимость Рвых от Рвх для усилителя мощности.
Можно выделить три области:
I – линейная область максимального усиления,
II – квазилинейная область, где начинают проявляться нелинейные эффекты,
III – область насыщения, соответствующая максимальным КПД и выходной мощности.
При расчёте усилителя мощности надо учитывать нелинейность характеристик транзистора. Рассмотрим классификацию режимов работы усилителя мощности и расчёт характеристик усилителя для простейшего усилительного каскада.
Рекомендуемые материалы
Классы работы усилителя мощности.
Возможна работа усилителя в одном из четырёх классов: А, В, С, АВ, определяемых соотношением напряжения рабочей точки Uo, амплитудой входного сигнала U1 и пороговым напряжением транзистора Uпор, при котором он запирается. Для биполярного транзистора Uпор ≈ U* = 0,6÷0,7 В.
Класс А.
Класс А соответствует работе транзистора без запирания, т.е. без отсечки тока, который протекает через транзистор в течение всего периода колебаний. Этому соответствует
т.е.
Переменный коллекторный ток меняется в фазе, а переменное коллекторное напряжение – в противофазе с переменным напряжением базы:
При этом
Эти зависимости показаны на рисунке. Режим почти линейный, искажения гармонической зависимости переменного тока и переменного напряжения возможны вблизи отсечки тока и насыщения тока.
Оценим КПД усилителя в классе А.
Имеем:
где Po - мощность, отбираемая от источника питания,
- выходная мощность на частоте ω, выделенная в рассматриваемой упрощённой схеме на сопротивлении Rk. Из условия
имеем
а из условия
имеем
Получаем
Таким образом, предельный КПД усилителя в классе А составляет 25%.
Проходная характеристика:
Класс В, С, АВ.
Класс В, С , АВ соответствует работе транзистора с отсечкой тока.
В режиме класса В
так что ток протекает в течение половины периода, угол отсечки θ = π/2.
В режиме класса С
ток протекает через транзистор в течение времени, меньшего половины периода, угол отсечки θ < π/2.
Режим класса АВ.
Этот режим промежуточный между А и В,
угол отсечки
Для расчёта характеристик усилителя с отсечкой тока используем метод аппроксимации ВАХ ломаной линией.
Амплитуда гармоник тока на выходе усилителя определяется соответственно
где αn(θ) - коэффициенты Берга.
Мощность, поступающая из источника питания
Важно подчеркнуть, что эта мощность и постоянная составляющая тока Io зависят от угла отсечки θ и следовательно от амплитуды входного напряжения.
Выходная мощность на частоте сигнала ω
КПД усилителя
где величина
характеризует отношение первой гармоники к постоянной составляющей тока и изменяется от 1 до 2 при уменьшении угла отсечки от π до 0.
Классу В соответствует угол отсечки θ = π/2, при этом
В этом классе
и рабочая точка на выходе ВАХ соответствует Uko = Ek , Iko = 0. При этом возможно получить максимальную первую гармонику напряжения на коллекторе U1=Ek и КПД получаем
т.е. существенно больше, чем в классе А. В тоже время, в классе В обращается в ноль третья гармоника тока, α3(π/2)=0, что приводит к снижению нелинейных искажений. Кроме того, использование класса В допускает построение усилителя на двух транзисторах по двухтактной схеме, когда усиление противофазных полупериодов сигнала происходит в разных транзисторах, а на общей для них нагрузке восстанавливается гармонический сигнал.
В классе С :
и по-прежнему возможно U1 ≤ E. Поэтому КПД → 1 (100%) при θ→0. Это однако происходит за счёт уменьшения постоянного тока, т.к. αo→0, уменьшается мощность Po, отбираемая от батарей, и следовательно выходная мощность Pвых хотя их отношение, т.е.
увеличивается с уменьшением угла отсечки θ.
Усиление по напряжению в режимах с отсечкой тока также можно найти с помощью коэффициентов Берга.
Имеем:
где максимальный коллекторный ток Im можно найти при аппроксимации ВАХ ломаной:
получим
На границе отсечки тока
усиление максимально – соответствует классу А:
С уменьшением θ, т.е. последовательном переходе в режимы классов АВ, В, С усиление уменьшается.
В классе В имеем
а при переходе в класс С
В усилителях мощности используется чаще всего режим класса В, сочетающий высокий КПД и высокую выходную мощность при достаточно большом усилении и малых нелинейных искажениях сигнала, которые можно рассчитать по формуле
"Ориентация на трудовые ресурсы." - тут тоже много полезного для Вас.
где
В усилительных каскадах с резонансной нагрузкой надо вместо Rk подставлять сопротивление нагрузке на соответствующей гармонике сигнала, т.е.
