Усилитель мощности.

Усилителем мощности (УМ) является оконченным каскадом многокаскадного усилителя и создает определительную мощность во внешней нагрузке.

Усилительный элемент в мощном каскаде работает с большим уровнем сигнала и потребляет от источника значительную мощность. Основное требование – экономичность, которое достигается при полном использовании усилительного элемента по току и полном использовании напряжения источника питания.

Противоречивые требования: высокий КПД и малые нелинейные искажения сочетаются в двухтактной схеме, где усилительный элемент работает в режиме В.

Используется параллельная и последовательная схемы. На практике чаще применяется последовательная, т. к. она не требует наличия трансформатора.

Принцип работы усилителя мощности.

VT1

VT2

При положительной полуволне открывается транзистор VT1, а состояние транзистора VT2 не изменяется. Выходной ток в виде положительной полуволны протекает через нагрузку в первом контуре. При отрицательной полуволне работает транзистор VT2. Строго говоря при использовании режима B в области малого сигнала будут проявляться нелинейные искажения типа ступеньки. Поэтому на практике используют режим AB. В этом случае искажения существенно уменьшаются, однако КПД схемы снижается.

Бестрансформаторные выходные каскады.

Наиболее широкое применение находят выходные каскады как в дискретном, так и в интегральном исполнении, построенные на разнотипных транзисторах: р-п-р и п-р-п. Типичные схемы бестрансформаторных двухтактных усилителей на транзисторах с электропроводностью разных типов, характерной особенностью которых явля­ется возможность работы без фазоинверсного входного трансформатора,

Рис.2

показаны на рис. 2. Как видно из рисунка, такие выходные каскады имеют последовательное питание и параллельное включе­ние нагрузки. Смещение по постоянному току осуществля­ется делителем R1, R2, R3. Поскольку сопротивление ре­зистора R2 обычно мало, можно считать, что базы обоих транзисторов, по переменному току соединены и имеют один входной зажим (несимметричный вход).

Когда на входе усилителя (рис. 1, а) появляется переменный сигнал, при положительной полуволне открывается транзистор типа п-р-п, пропуская в нагрузку ток, а состояние транзистора типа р-п-р не изменяется. При поступлении на вход отрицательной полуволны сигнала, наоборот, работает транзистор типа р-п-р. Таким образом, в нагрузке проходит переменный ток в течение всего периода. Постоянный ток в случае, если транзисторы имеют идентичные параметры и сиг­налы одинаковы по амплитуде, через нагрузку R_н не проходит. Поскольку оба транзистора в схеме включены по отношению к нагрузке как эмиттерные повторители, согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки (обычно низкоомной) значительно упрощается и КПД схемы может оказаться достаточно высоким.

Схема рассматриваемого усилителя упрощается при питании от общего источника Е_к. Однако чтобы постоянная составляющая тока не проходила через нагрузку, последняя должна подсоединяться через конденсатор достаточно большой емкости С (рис. 2, б).

КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Полевой транзистор, имеющий, как и биполярный транзистор, три внешних вывода, может быть включен в усилительную схему по трем различным схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Наиболее широкое применение на практике нашла схема с ОИ (рис. 3), аналогичная варианту схемы с ОЭ биполярного транзистора.

Рис.3

На рис. 3, а показана схема усилительного каскада на полевом транзисторе с затвором в виде p-n-перехода, в которой используется один источник питания E_c... Начальный режим работы полевого тран­зистора обеспечивается постоянным током стока I_ос и соответствующим ему постоянным напряжением на стоке U _ос.

Ток I_ос в выходной (стоковой) цепи устанавли­вается с помощью источника питания Е_с и начального напряжения смещения на затворе U_0з, отрицательной полярности относительно истока (для полевого тран­зистора с каналом р-типа — положительной полярности). В свою очередь, напряжение U_0з обеспечивается за счет тока I_ос, проходящего через резистор R_и в цепи истока, т. е. U_0з = I_ос R_и, которое через резистор R_з прикладывается к затвору с полярностью, указанной на рис.3, а. Изменяя сопротивление R_и, можно изменять напряжение U_0з и ток стока I_с.

Резистор R_и, кроме функции автоматического сме­щения на затвор выполняет также функцию термо­стабилизации режима работы усилителя по постоянному

току, стабилизируя I_ос. Чтобы на этом резисторе не выделялось напряжение за счет переменной составляющей тока стока (это привело бы к наличию отрицательной обратной связи аналогично тому, как это имело место в усилителе на биполярном транзисторе за счет сопротивления в цепи эмиттера R_э), его шунтируют конденсатором С_и, емкость которого определяют из условия С_и > >1/(ω R_и), где ω— частота усиливаемого сигнала. Сопротивление резистора R_з, включенное па­раллельно входному сопротивлению усилителя, которое очень велико, должно иметь соизмеримое с ним значение.

Динамический режим работы полевого транзистора обеспечивается с помощью резистора R_с в цепи стока, с которого снимается переменный выходной сигнал при наличии входного усиливаемого сигнала. Обычно R_c <<R_э ≈ R_вx. Поэтому, если нагрузкой усилительного каскада на полевом транзисторе является входное сопротивление аналогичного каскада усиления, то сопротивление нагрузки усилителя постоянной и пере­менной составляющих тока стока

R_co ≈ R_c~ = R_cR_и/(R_c + R_и). (2)

При этом предполагается, что в пределах усили­ваемых частот сопротивления разделительных кон­денсаторов С_р1 и С_р2, назначение которых то же, что и в усилительных каскадах на биполярных транзисторах, незначительны.

Коэффициент усиления усилительных каскадов на полевых транзисторах в области средних частот определяется равенством

К_U = — SR_c, (3)

где S — статическая крутизна характеристики полевого транзистора, a R_c определяется по формуле (2).

Знак минус в выражении (3) указывает на то, что усилительный каскад ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 180° (как в усилительном каскаде ОЭ). Поэтому при воздействии на вход усилителя перемен­ного входного сигнала u_вх(t) = u_з = U_зm sin ωt напряжение выходного сигнала

u_вых(t) = - S₀R_cU_зm sin ωt

где S₀ — крутизна характеристики в рабочей точке (I_ос, U_ос).

На практике применяются также усилительные каскады по схеме ОС (рис. 3, б), которые по своей структуре и свойствам аналогичны эмиттерным повторителям.

Усилители на полевых транзисторах благодаря большому входному сопротивлению (несколько мегаом) широко применяют в качестве входных каскадов различных электронных устройств, источник входного сигнала которых обладает большим внутренним сопро­тивлением.

Дата добавления: 2015-10-16