Підсилювачі потужності низької частоти
Підсилювачем потужності називається підсилювач, в якому вихідна потужність посиленого сигналу можна порівняти з потужністю, що підводиться до вихідного ланцюга підсилювача від джерела живлення.
Зазвичай в підсилювачі потужності амплітуди вихідних напруг і струмів можна порівняти з гранично допустимими значеннями, а вихідна потужність можна порівняти з гранично допустимою потужністю, що розсіюється приладом. У такому режимі, наприклад, зазвичай працює вихідний каскад підсилювача звукових частот у радіомовних приймачах.
На відміну від підсилювачів напруги та струму до підсилювачів потужності висуваються вимоги отримання великої потужності на навантаженні при високому коефіцієнті корисної дії. Виконання цих вимог пов'язане з використанням великих, гранично допустимих струмів і напруги, але при цьому не можна допустити спотворень форми вихідного сигналу. Найпростіший підсилювач потужності низької частоти будується за тією ж схемою, що й підсилювач слабкого сигналу. Наприклад, звичайний резистивний каскад на транзисторі з ОЕ також може бути використаний і як підсилювач потужності.
Простий висновок основних співвідношень для підсилювача потужності ґрунтується на використанні ідеалізованих характеристик транзистора. Активний елемент підсилювача характеризується гранично допустимими значеннями потужності, напруги та струму у вихідному ланцюзі. Для транзистора з ОЕ це. Так як, то на сімействі вихідних показників транзистора можна відзначити гранично допустимі режими. На рис.6 показані вихідні характеристики транзистора з ОЕ, лінія допустимої потужності, обмежена допустимими значеннями струму і напруги.
Область, обмежена цими лініями (одинарне штрихування), дозволяє використовувати транзистор без виходу його з ладу. Зазвичаймаксимальні миттєві значення вихідних струмів та напруг обмежують до величин: . На рис.6 область, обмежена максимальними режимами, показана подвійним штрихуванням.
Для спрощення аналізу підсилювача потужності правомірне застосування ідеалізації BAX транзистора у вигляді шматково-ламаної апроксимації.
У широкосмугових підсилювачах потужності низької частоти, що використовують у каскаді один транзистор, використовується для посилення лише режим посилення класу "А" (q = 180 0), що дозволяє працювати без нелінійних спотворень сигналу. Напруга живленняЕквибирається рівним максимальному значенню колекторної напруги, а опір навантаженняRк=Eк/iк,max. На рис.7 показані осцилограми напруги та струмів, що діють у схемі резистивного каскаду.
Коефіцієнт корисної дії електронного підсилювача визначається як відношення корисної вихідної потужності до потужності, що витрачається джерелом живлення. Визначимо максимально можливий ККД підсилювача потужності, що працює в режимі класу А.
Вихідна корисна потужність у разі посилення гармонійного сигналу дорівнює:
,
деUм,ке,Iм,к -амплітуди напруги і струму. Потужність, що витрачається джерелом живлення, визначається добутком напругиЕдо постійної складової струмуIк,o, що протікає в колекторному ланцюгу:
.
Таким чином, ККД дорівнює:
.
Величина називається коефіцієнтом використання напруги джерела живлення; величина відбиває відношення амплітуди першої гармоніки колекторного струму до величини постійної складової. Для отримання високого ККД слід збільшувати та . Максимальний ККД (100%) виходить за .
З рис.7 видно, що при максимальному використанні лінійної ділянки ДПХ, отже,, і таким чином, при обраній ідеалізації в режимі класу “А” маємо
.
У реальних підсилювачах потужності лінійна ділянка ДПХ обмежена нелінійностями зверху та знизу, тому реальна .
Збільшення ККД у режимі класу “А” можна досягти, збільшивши, наприклад, збільшивши амплітуду напруги на виході за рахунок використання трансформаторного включення навантаження; Схема такого підсилювача потужності показана на рис. 8.
У цьому випадку постійний колекторний струм протікає тільки через первинну обмотку трансформатора, що має опір постійного струму (омічне опір первинної обмотки) дуже мале в порівнянні з опором трансформатора для змінного струму. Лінія навантаження постійного струму визначається тут співвідношенням: .
Оскільки , деn– коефіцієнт трансформації, то лінія навантаження у сфері допустимих значень йде майже вертикально (див. рис.9). Вибираємо робочу точку лише на рівніik,max/2.
Для визначення амплітуд струму та напруги побудуємо через точку А лінію навантаження по змінному струму (ЛН
), кут нахилу якої визначається опоромRк. У цьому випадку максимальна амплітуда напруги на колекторі може в ідеалі прийняти значення, що дорівнюєЕдо, тобто. коефіцієнт використання напруги джерела живлення та максимальний ККД при даній ідеалізації
.
Подальше збільшення ККД можливе лише за рахунок збільшення , що передбачає нелінійний режим роботи транзистора із заходом в область відсічення струму. Через широкосмугового навантаження в цьому випадку не можна позбутися вищих гармонійних складових струму і, отже, нелінійних спотворень форми вихідного сигналу.
Одним із способів побудови підсилювачів потужності низькоїчастоти з високим ККД є двотактні схеми (один із варіантів показаний на рис.10), в яких транзистори працюють з кутом відсічення q = 900 в протифазі.
Так як вихідна напруга визначається різницею струмів кожного транзистора, то в навантаженні виділятиметься практично гармонійна напруга (при гармонійному сигналі на вході). Це проілюстровано графіками рис.11.
Хороше симетрування схеми дозволяє виключити з вихідної напруги всі парні гармоніки струму. У реальних підсилювачів через нижню нелінійну ділянку ДПХ доводиться проводити додаткові регулювання зсувів транзисторів.
Амплітуда першої гармоніки та постійна складова колекторного струму визначаються як:
.
Для кута відсічення 90 про. Таким чином, максимальний ККД кожного плеча схеми дорівнює
.
Важливою властивістю підсилювачів потужності низької частоти є їх широкосмуговість, що вимагає застосування резистора або широкосмугового трансформатора колекторного ланцюга. Це призводить до того, що на виході при посиленні великих сигналів можуть мати місце нелінійні спотворення, зумовлені появою гармонійних вищих складових сигналу. Нелінійні спотворення прийнято оцінювати коефіцієнтом гармонік, що дорівнює відношенню середньоквадратичної напруги суми всіх гармонік, починаючи з другої, до середньоквадратичної напруги першої гармоніки, коли на вхід підсилювача подається гармонійний сигнал. Так як середньоквадратичні значення пропорційні амплітудам, коефіцієнт гармонік (або коефіцієнт нелінійних спотворень - КНІ) дорівнює:
.
Зазвичай коефіцієнт гармонік виражають у відсотках і не допускають, щоб вона перевищувала 5-10%, причому при високоякісному посиленні звукових коливань він немає перевищувати 1 – 1,5 %.
Застосовують безтрансформаторні двотактні схеми підсилювачів потужності низької частоти. У цьому випадку має бути використано або два джерела живлення, або транзистори різної провідності. На рис.12 показані приклади такого підсилювача.
Головний недолік схем безтрансформаторних підсилювачів полягає у складності підбору двох транзисторів (особливо при використанні транзисторів різної полярності) з характеристиками, близькими на всьому діапазоні значень вихідного сигналу. Це призводить до значного ускладнення схеми. Багато підсилювачів у мікросхемному виконанні, зокрема й операційні, мають досить складні схемні реалізації вихідних каскадів.