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 режиме
A.
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.
1.4 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.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Для того чтобы форма переменной составляющей тока на выходе усилителя совпадала с формой подаваемого на вход сигнала, зависимость между ними должна быть линейной. Поскольку транзистор является нелинейным элементом, возможно искажение сигнала. Наличие или отсутствие искажения зависит как от амплитуды сигнала, так и от выбора положения начальной рабочей точки на нагрузочной линии.
Выбор положения начальной рабочей точки влияет также на КПД усилителя. В момент, когда сигнал отсутствует, вся энергия источников питания идет только на нагрев р-n-переходов. Если начальная рабочая точка лежит на середине прямолинейного участка, а амплитуда сигнала такова, что рабочая точка, перемещаясь, не выходит за пределы прямолинейного участка входной характеристики, то искажения сигнала не происходит. КПД в этом случае меньше 50%.
В зависимости от положения начальной рабочей точки на характеристиках активных элементов и амплитуды усиливаемого сигнала различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В и С.
Режимы работы активных элементов часто называют классами усиления. Количественно режимы усиления для синусоидального сигнала характеризуют углом отсечки 
– половиной той части периода, в течение которой через выходную цепь активного элемента проходит ток. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.
В режиме А начальная рабочая точка А находится примерно в середине линейной части проходной характеристики, а амплитуда сигнала такова, что, как видно из рис. 2.11, ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. Угол отсечки равен 180°. (Отметим, что характеристики даны для усилителя с транзистором типа р-n-р по схеме с ОЭ.)
Рис. 2.11. Режим А работы усилителя
Транзистор работает в активном режиме. Рабочая точка А, перемещаясь по нагрузочной линии, не выходит за пределы точек 1 и 2 на нагрузочной линии (см. рис. 2.10, в, точка А). При работе ниже точки 2 транзистор переходит из активного режима в режим отсечки, а при работе выше точки 1 – в режим насыщения. Из-за большого тока покоя КПД в этом режиме низкий, менее 50%. Это основной недостаток рассматриваемого режима. В режиме А активный элемент работает почти без искажений, а форма выходного сигнала соответствует форме входного. Режим А используют в основном в каскадах предварительного усиления.
В режиме В начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики (рис. 2.12). Ток коллектора проходит через активный элемент лишь в течение отрицательного (для транзистора типа р-n-р) полупериода входного напряжения, во время же другого полупериода тока нет, т.е. активный элемент “заперт”, рабочая точка А находится ниже точки 2 на нагрузочной линии – в области отсечки (см. рис. 2.10, в, точка А). Угол отсечки составляет 90°. КПД каскада, работающего в режиме В, значительно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал.
Рис. 2.12. Режим В работы усилителя
В режиме В усилитель имеет высокий КПД (до 80%), однако усиливается только один полупериод входного сигнала. Кроме того, сигнал сильно искажается.
Для усиления сигнала в течение всего периода используют двухтактные схемы, когда одно плечо схемы работает в положительный полупериод, а другое – в отрицательный. В режиме В (так как КПД высок) работают каскады мощного усиления (выходная мощность от 10 Вт и более).
В режиме С начальная рабочая точка А располагается правее начальной точки проходной характеристики (рис. 2.13). Угол менее 90°. В отсутствие сигнала ток через активный элемент не проходит – элемент полностью “заперт”. При подаче сигнала ток коллектора проходит в течение времени, меньшем отрицательного полупериода напряжения входного сигнала, причем искажение сигнала большее, чем в режиме В. КПД каскада, работающего в режиме С, выше, чем в режиме В, так как ток покоя отсутствует. Режим С применяют в мощных резонансных усилителях.
Рис. 2.13. Режим С работы усилителя
Режим D называют ключевым. Активный элемент в этом режиме работы усилителя находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. В первом случае ток через активный элемент равен нулю, во втором – равно нулю падение напряжения между выходными зажимами. КПД в этом режиме выше, чем в режиме С (он близок к единице), потери энергии малы. Этот режим используют только для усиления прямоугольных сигналов.
Макеты страниц
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 
. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рассчитывают по заданным значениям 
и 
. Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности 
.
Общие сведения о мощных усилительных каскадах.
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.
Нелинейные искажения для мощных транзисторных каскадов обусловлены зависимостью 
или 
от режима работы, нелинейностью характеристик транзисторов 
или 
, а также нелинейностью характеристик намагничивания магнитной системы трансформатора, часто используемого для согласования выходного каскада с нагрузкой.
Для количественной оценки нелинейных искажений, вносимых каскадом, на его вход подают чисто синусоидальный сигнал и измеряют амплитуды гармоник на его выходе.
Отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд всех гармоник, кроме первой, на входе каскада к амплитуде первой гармоники характеризует нелинейные искажения, вносимые усилителями мощности. Это отношение называется коэффициентом гармоник:
(4.217)
При экспериментальной оценке чаще используют коэффициент нелинейных искажений [см. (4.20)] ввиду более простой реализации измерительного устройства. Разница между этими двумя оценками нелинейных искажений обычно несущественна. Коэффициенты гармоник и нелинейных искажений часто выражают в процентах.
У прецизионных усилителей иногда оценивают коэффициент искажений интермодуляции. При его нахождении на вход усилителя через резисторы подаются сигналы от двух генераторов сигналов. Частота одного из них 
небольшая 
Гц). Второе напряжение имеет частоту 
на порядок — полтора большую, чем 
(обычно 
да 
. Значения напряжений берут 0,8 и 
. К выходу усилителя подключают полосовой фильтр, настроенный на частоту 
. Составляющие 
выходного напряжения фильтра (рис. 4.41) измеряют с помощью приборов. Коэффициент интермодуляции 
оценивают из уравнения
(4.218)
Если усилитель линейный, то при воздействии любого количества сигналов происходит их суммирование и в спектре сигнала не появляются комбинационные частоты. Соответственно не происходит модуляции амплитуд гармоник выходного сигнала. При наличии нелинейности возникают комбинационные частоты и высокочастотная гармоника 
окажется модулированной по амплитуде, причем глубина модуляции, характеризуемая напряжением 
, зависит от нелинейности усилителя.
Рис. 4.41. Напряжение на выходе фильтра, у которого 
В общем случае сигналы сложной формы могут усиливаться, поэтому нелинейные искажения усилителя следует оценивать суммарным коэффициентом
(4.219)
который должен быть меньше допустимого значения 
. Справедливость (4.219) обусловлена тем, что в общем случае происходит суммирование нежелательных гармоник и интермодуляционных искажений, что в выражении (4.217) не учитывается, так как оно характеризует искажения одной гармоники.
Как показывают расчеты, коэффициенты гармоник, обусловленные только нелинейностью входной цепи мощного усилительного каскада на биполярных транзисторах, могут достигать 3—8%, а интермодуляционные искажения в 1,6 раза больше гармонических. Общие же искажения достигают 15—20%. Их уменьшение осуществляют за счет введения достаточно глубокой отрицательной ОС, охватывающей мощный усилительный каскад. Ориентировочно можно считать, что коэффициенты гармоник и интермодуляционных искажений уменьшаются пропорционально глубине ОС:
(4.220)
где К — суммарный коэффициент гармоник каскада с ОС; 
— коэффициент ОС.
Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах А, В или АВ. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.
В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме А. 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.
Режимы работы усилительных элементов
Описание существующих классов режимов работы каскадов предварительного
усиления, а также выходных каскадов усилителей мощности.
Работа любого усилительного элемента, будь то транзистор или лампа, определяется режимом их работы. Однако всегда следует понимать,
что любой усилительный элемент может работать в линейном режиме усиления только на некотором участке передаточной характеристики (ВАХ).
В зависимости от выбранного режима может возникнуть ситуация, когда при слишком низких уровнях подводимого сигнала транзистор или лампа
ещё не могут усиливать (находятся в режиме отсечки, или, как говорят, ещё не открылись), а при слишком высоких входных уровнях входят в
насыщение и перестают усиливать, работая в режиме ограничения.
В схемотехнике существует несколько режимов работы усилительных элементов, отличающихся друг от друга свойствами, а соответственно, и
имеющих различные области применения.
В зависимости от положения рабочей точки на передаточной характеристике усилительного элемента, принято различать 4 режима
работы каскада (или класса усиления): А, B, АВ и С.
Это традиционные режимы, которые используются для аналогового усиления сигнала. Для цифрового же усиления усилительный элемент
загоняется в ключевой режим, а такой класс усиления называется — классом D.
На самом деле у различных производителей РЭА можно обнаружить и массу других букв, которыми если постараться, то можно практически полностью
заполнить латинский букварь. Однако, как было справедливо отмечено в журнале «EDN Europe»: «Сочинение новых классов усилителей —
не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компаниям больше вреда, чем пользы…».
Основными характеристиками, на которые влияет выбор режима элемента усиления, являются — уровень нелинейных искажений и КПД каскада.
Поговорим поподробней о каждом из режимов.
1. Режим класса А.
 Рис.1 |
На рисунке Рис.1 красным цветом обозначена передаточная характеристика усилительного элемента (транзистора или лампы), Режим А характеризуется тем, что рабочая точка ( р.т.) в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) передаточной Каким следует выбрать ток покоя элемента для режима А? Теоретический КПД такого каскада при неискажённом усилении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %. |
На практике — около 40…45% для двухтактных каскадов и около 30% — для однотактных.
Данный класс А является наиболее линейным режимом усиления и характеризуется минимальными значениями гармонических искажений,
в связи с чем нашёл практически повсеместное применение в усилителях напряжения входных и промежуточных каскадов.
В выходных каскадах усилителей мощности (в связи с низким КПД) применяется гораздо реже и в основном бывает замечен в аппаратуре
класса High End.
2. Режим класса В.
  Рис.2 |
Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики В режиме B усилительный элемент способен воспринимать либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные Режим B характеризуется гораздо более высоким значением КПД усилителя (по сравнению с режимом А), которое может достигать 80%. |
Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным
при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B как правило устанавливается небольшой, но не нулевой, ток
покоя (10…30мА).
Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный
режим АВ.
3. Режим класса АВ.
 Рис.3 |
Отличительным свойством режим АВ является то, что его рабочая точка тока покоя занимает промежуточное положение Ток покоя каскада в режиме AB на порядок выше (сотни мА), чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток покоя, необходимый для режима А. |
4. Режим класса С.
 Рис.4 |
В режиме класса C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо Данный режим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к Из-за высоких уровней нелинейных искажений каскады, работающие, в режиме С, даже в двухтактном исполнении, редко используются для |
А вот в резонансных усилителях радиопередающих устройств они, напротив, нашли широкое применение благодаря их высокому КПД.
4. Режим класса D.
Режим D – это ключевой режим работы, при котором управляющий элемент (транзистор) может находиться только в двух состояниях: или полностью
заперт
(режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Главным достоинством данного режима является очень высокое (близкое к 100%)
значение КПД устройства.
Используя усиление поступающих на вход прямоугольных импульсов изменяемой скважности (ШИМ-модуляция), такой режим широко
используется во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления
энергии он практически вытеснил все остальные классы усилителей.
А после начала производства силовых МДП-транзисторов, стал возможен массовый выпуск УМЗЧ класса D с реальным значением КПД — 90…95%.
Рис.5
На Рис.5 изображена распространённая структурная схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Работает это устройство следующим образом.
Гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада на силовых полевых транзисторах, преобразуются в
прямоугольные импульсы, модулированные по ширине (скважности).
После усиления модулированных импульсов, посредством LC фильтра осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал
первоначальной гармонической формы.
Выглядит это примерно так:
Рис.6
Здесь импульсный сигнал, сформированный управляющей схемой методом сравнения амплитуд: задающего генератора сигнала треугольной
формы и входного гармонического сигнала, используется для управления выходными силовыми транзисторами. Положительная полярность
импульсов управляет верхним ключом (Рис.5), отрицательная — нижним.
Поскольку подробная информация о типах, модификациях и принципах работы ключевых усилителей класса D довольно скудно представлена
на полях сетевых знаний, то этому классу мы посвятим отдельную статью, где и возместим данную несправедливость. И сделаем мы это,
не отходя от кассы, подробно и без матерных излишеств, но на следующей странице.
