можно сказать что коэффициент полезного действия усилителя позволяет

9.1.3 Усилители мощности низкой частоты

Усилителем мощности называется усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания.

Обычно в усилителе мощности амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с предельно допустимыми значениями, а выходная мощность сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой прибором. В таком режиме, например, обычно работает выходной каскад усилителя звуковых частот в радиовещательных приемниках.

В отличие от усилителей напряжения и тока к усилителям мощности предъявляются требования получения большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия. Выполнение этих требований сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала. Простейший усилитель мощности низкой частоты строится по той же схеме, что и усилитель слабого сигнала. Например, обычный резистивный каскад на транзисторе с ОЭ также может быть использован и в качестве усилителя мощности.

Простой вывод основных соотношений для усилителя мощности основывается на использовании идеализированных характеристик транзистора. Активный элемент усилителя характеризуется предельно допустимыми значениями мощности, напряжения и тока в выходной цепи. Для транзистора с ОЭ это . Так как , то на семействе выходных характеристик транзистора можно отметить предельно допустимые режимы. На рис.6 показаны выходные характеристики транзистора с ОЭ, линия допустимой мощности , ограниченная допустимыми значениями тока и напряжения..

Область, ограниченная этими линиями (одинарная штриховка), позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают до величин: . На рис.6 область, ограниченная максимальными режимами, показана двойной штриховкой.

Для упрощения анализа усилителя мощности правомерно применение идеализации BAX транзистора в виде кусочно-ломаной аппроксимации.

В широкополосных усилителях мощности низкой частоты, использующих в каскаде один транзистор, используется для усиления только режим усиления класса “А” ( q = 180 0 ), позволяющий работать без нелинейных искажений сигнала. Напряжение питания Е_к выбирается равным максимальному значению коллекторного напряжения, а сопротивление нагрузки R_к=E_к/i_к,max. На рис.7 показаны осциллограммы напряжений и токов, действующих в схеме резистивного каскада.

Коэффициент полезного действия электронного усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.

Выходная полезная мощность в случае усиления гармонического сигнала равна:

,

где U_м,кэ, I_м,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Е_к и постоянной составляющей тока I_к,o, протекающего в коллекторной цепи:

.

Таким образом, КПД равен:

.

Величина называется коэффициентом использования напряжения источника питания; величина отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Для получения высокого КПД следует увеличивать и . Максимальный КПД (100%) получается при .

Из рис.7 видно, что при максимальном использовании линейного участка ДПХ , следовательно, , и, таким образом, при выбранной идеализации в режиме класса “А” имеем

.

В реальных усилителях мощности линейный участок ДПХ ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .

Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки; схема такого усилителя мощности показана на рис. 8.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением трансформатора для переменного тока. Линия нагрузки для постоянного тока определяется здесь соотношением: .

Для определения амплитуд тока и напряжения построим через точку А линию нагрузки по переменному току (ЛН

), угол наклона которой определяется сопротивлением R_к. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Е_к, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при данной идеализации

.

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Из-за широкополосности нагрузки в этом случае нельзя избавиться от высших гармонических составляющих тока и, следовательно, от нелинейных искажений формы выходного сигнала.

Одним из способов построения усилителей мощности низкой частоты с высоким КПД являются двухтактные схемы (один из вариантов показан на рис.10), в которых транзисторы работают с углом отсечки q = 90 0 в противофазе.

Так как выходное напряжение определяется разностью токов каждого транзистора, то в нагрузке будет выделяться практически гармоническое напряжение (при гармоническом сигнале на входе). Это проиллюстрировано графиками рис.11.

Хорошее симметрирование схемы позволяет исключить из выходного напряжения все четные гармоники тока. У реальных усилителей из-за нижнего нелинейного участка ДПХ приходится проводить дополнительные регулировки смещений транзисторов.

Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока определяются здесь как:

.

Для угла отсечки 90 о . Таким образом, максимальный КПД каждого плеча схемы равен

.

.

Обычно коэффициент гармоник выражают в процентах и не допускают, чтобы он превышал 5-10%, причем при высококачественном усилении звуковых колебаний он не должен превышать 1 – 1,5 %.

Главный недостаток схем бестрансформаторных усилителей заключается в трудности подбора двух транзисторов (особенно при использовании транзисторов разной полярности) с характеристиками, близкими на всем диапазоне значений выходного сигнала. Это приводит к значительному усложнению схемы. Многие усилители в микросхемном исполнении, в том числе и операционные, имеют достаточно сложные схемные реализации выходных каскадов.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004

Источник

Элементы теории ламповых усилительных устройств

Основные технические характеристики усилителя

Если коэффициенты усиления, выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления усилителя равен сумме коэффициентов усиления каскадов.

Искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах, называются частотными искажениями.

Частотные искажения можно оценить по частотной характеристике усилителя.
Частотной характеристикой усилителя называется зависимость коэффициента усиления от частоты или зависимость от частоты отклонения от среднего значения коэффициента усиления.

и в области верхних частот, усиливаемого диапазона

Переходные искажения появляются в результате наложения на воспроизводимый сигнал неустановившихся процессов. Особенно существенными в этом отношении являются неустановившиеся процессы подвижной системы громкоговорителей. Для уменьшения переходных искажений нужно уменьшать выходное сопротивление усилителя.

Источник

Основы электроакустики

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360°

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М. А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы. При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим

Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20 %, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.

Недостаток класса А сразу очевиден — в состоянии покоя потребляемый ток 10 велик и при полной раскачке каскада равен амплитуде переменной составляющей вы­ходного тока Im. Амплитуда переменной составляющей по напряжению Um в пределе равна Е. Таким образом, потребляемая мощность будет Р0=Е010, а отдаваемая PH=UmIm/2 (напоминаем, что деление на 2 связано с тем, что при вычислении мощности берутся эффективные значения напряжения и тока). Таким образом, в идеаль­ных условиях полной раскачки коэффициент полезного действия каскада равен КПД = Рн/Р0 = 0,5 = 50% Такой КПД в идеале реализуется в трансформаторных каскадах, где Um=En вследствие малости сопротивления первичной обмотки трансформатора на постоянном токе. Реальный КПД всегда меньше, поскольку полная раскачка транзистора VT1 невозможна и при большом токе на нем падает напряжение (называемое остаточным). Кроме того, предварительный усилитель потребляет некоторую мощ­ность, а КПД трансформатора чуть ниже 1. Так что реальный КПД составляет не более 40—45%. В бестранс­форматорных каскадах, работающих в классе А (есть и такие), КПД не превышает 25%.

Считается большим достоинством усилителей класса А и то, что потребляемый ими ток не зависит от уровня входного сигнала при изменении его от нуля до напряже­ния полной раскачки усилителя. Это устраняет изменения напряжений источников питания, которые способны вы­звать сильные динамические искажения, присущие уси­лителям, работающим в других классах.

Источник

Усилители большой мощности

Анализ основных соотношений для усилителя мощности, можно провести с использованием выходных характеристик транзистора, который в общем случае характеризуется предельно допустимыми значениями

мощности, напряжения и тока в выходной цепи, то есть .

На рис.12.3. показана схема простейшего однотактного усилителя мощности и выходные характеристики транзистора с ОЭ, у которого линия допустимой мощности , ограничена допустимыми значениями тока и напряжения.

Область, ограниченная линией P_к.доп, позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают

Режим класса А. В данном режиме ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирается таким образом, что амплитуда переменной составляющей выходного тока , появившегося в результате действия входного сигнала, не превышает ток покоя , (рис. 12.65).

Это позволяет обеспечить работу транзистора на линейном участке ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (К_г £ 1 %). Максимальное значение КПД в этом режиме мало, для резистивного усилителя .

Режим класса В.Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение половины периода входного сигнала. Рабочая точка на ВАХ выбирается так, что входной ток покоя равен нулю (рис. 12.7.). При этом входной и выходной токи имеют форму импульса с углом отсечки 90°.

Угол отсечки – половина части периода, выраженная в радианах или градусах, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток.

Из-за нелинейности начального участка ВАХ активного элемента форма входного и выходного токов существенно отличается формы, соответствующей линейному элементу (рис. 12.8.).

Для усиления другой полуволны входного сигнала используют еще один транзистор, такой усилитель называется двухтактным. Режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (К_г £ 10 %), обусловленными работой на нелинейных начальных участках ВАХ транзистора и высоким КПД. Максимальный КПД имеет величину 78 %.

Режим класса АВ. Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение промежутка времени больше половины периода входного сигнала. Угол отсечки достигает 120¼150°.

В режиме покоя транзистор приоткрыт, и через него протекает ток, равный 5¼15 % максимального тока при заданном входном сигнале (рис. 5.4). Используется для уменьшения нелинейных искажений присущих режиму класса В. Коэффициент гармоник уменьшается (К_г £ 3 %), но уменьшается и КПД за счет наличия входного тока покоя I_Б0.

Режим класса С – это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через транзистор протекает в течение времени меньшего половины входного сигнала (рис. ). Угол отсечки меньше , а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100 %.

С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой гармоники. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.

Режим класса D – это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100 %.

Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.

В общем случае коэффициент полезного действия усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.

В случае усиления гармонического сигнала:

,(12.28)

где U_м,кэ, I_м,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Е_к и постоянной составляющей тока I_к,o, протекающего в коллекторной цепи:

.

Таким образом, КПД равен:

.(12.28)

— отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Очевидно, что максимальный КПД (100%) получается при . При максимальном использовании линейного участка

,(12.28)

следовательно, , и, для идеального усилителя в режиме класса “А” имеем

.(12.28)

В реальных усилителях мощности линейный участок входной и выходной характеристики ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .

Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением для переменного тока. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Е_к, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при такой идеализации

.

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Практической реализацией такого способа являются двухтактные схемы усилителей мощности, например, режим В, в котором транзисторы работают с углом отсечки  = 90 0 в противофазе.

Двухтактные схемы включения, работающие в режимах АВ и В позволяют получить высокий КПД при достаточно малых нелинейных искажениях. Последнее объясняется свойством двухтактных схем компенсировать четные гармоники.

В режиме АВ (рис.5.5.) напряжение смещения образуется на резисторе R_т при прохождении по нему постоянной составляющей коллекторного тока VT1: .

Для обеспечения стабильности положения рабочей точки при изменении температурного режима транзисторов оконечного каскада в качестве R_т применяют терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, причем размещают его на радиаторах этих транзисторов.

.

Лучшие результаты дает использование в качестве элемента термокомпенсации полупроводниковых приборов (рис. 12. 10.). В основе лежит температурная зависимость прямой ветви ВАХ p-n-перехода, которая характеризуется отрицательным температурным коэффициентом (около ‑2,2 мВ/°С для кремниевых приборов) и позволяет в идеальном случае осуществить полную компенсацию температурного дрейфа тока покоя оконечных транзисторов.

Источник