Мощные усилительные каскады

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка и мощность ,рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков - сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными. Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности .

Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режимеA. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или АВ и включенных по схемам с ОК или ОЭ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых, либо комплементарных транзисторов.

По способу подключения нагрузки различают две разновидности схем: с питанием от одного или двух источников.

Режимы работы усилительных элементов

Рассмотрим классификацию усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

Усилители класса А

Рабочая точка каскада, функционирующего в режиме работы класса А, лежит на линейном фрагменте проходной динамической характеристики. Для этого необходимо организовать смещение, то есть подачу на вход каскада небольшой постоянной составляющей напряжения, для чего обычно используют делитель напряжения источника питания. Амплитуда входного сигнала меньше, чем величина смещающего напряжения. Угол отсечки составляет 180 градусов, то есть постоянный ток через активный усилительный компонент каскада протекает в течении длительности всего периода. Если сигнал на вход каскада класса А не подан, то место, через которое проходит линия нагрузочной прямой и требуемая ветвь выходной статической характеристики, носит название рабочей точки покоя. В связи с тем, что амплитуда переменной составляющей тока выходного сигнала меньше постоянной составляющей тока этого сигнала, то КПД каскада не велик (≤ 50 %).

К достоинствам класса А нужно отнести появление минимальных, относительно остальных классов усиления, нелинейных искажений, ввиду нахождения рабочей точки в линейной области.

Рисунок 1.1. Динамическая характеристика усиления в режиме А.

Рисунок 1.2. Мощный выходной каскад, работающий в режиме А.

Усилители класса В

Напряжение смещение каскада, функционирующего в режиме класса В выбирают таким, чтобы рабочая точка покоя находилась около нуля в начале координат, а ток, потребляемый каскадом в отсутствии сигнала, был незначительным. Угол отсечки составляет 90 градусов. КПД каскада довольно высок (70 – 80 %), так как в режиме B ток протекает через транзистор лишь полпериода и появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Рисунок 1.3. Динамическая характеристика усиления в режиме В.

Важным недостатком режима класса В выступают большие нелинейные искажения, что ограничивает область применения это режима оконечными двухтактными усилителями мощностями.

Если усилительный каскад класса B включает лишь один транзистор, нелиней­ные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирую­щий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для создания на выходе сигнала, аналогичного по форме со входным сигналом, необходимо использовать двухтактную схему.

Рисунок 1.4. Мощный выходной двухтактный каскад, работающий в режиме В.

Усилители класса АВ

Рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются и через них протекает некоторый ток покоя (каскад перейдёт в режим А). Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но при этом существенно уменьшаются нелинейные искажения. Если уровень сигнала превысит определённый порог, то будет осуществлён переход работы в класс В.

Класс AB является наиболее экономичным для усилителей НЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала.

КПД усилительного каскада класса АВ обычно составляет 40 – 70 %.

Класс АВ используют в основном в двухтактных схемах, при этом базы биполярных транзисторов разделяют между собой парой диодов, которые обеспечивают смещение напряжения, при котором в них протекает ток покоя.

Рисунок 1.5. Динамическая характеристика усиления в режиме АВ.

Рисунок 1.6. Мощный выходной двухтактный каскад, работающий в режиме АВ.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: