Краткие теоретические сведения

Назначение усилителей мощности.

Усилители мощности служат для формирования заданной мощности в нагрузке с минимальными искажениями сигнала.

Классификация усилителей мощности.

Классификация усилителей мощности осуществляется по принципу действия – однотактные и двухтактные, и по диапазону частот – низкой частоты (до 100 кГц), высокой частоты (до 10 МГц) и ультровысокочастотные (свыше 10 МГц).

Параметры усилителей мощности.

К основным параметрам усилителя мощности относятся следующие: коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник K _г) и коэффициент полезного действия (η).

Расчет коэффициента полезного действия выполняется по формуле, устанавливающей зависимость между затраченной мощностью и полезной:

,

где Р _н – мощность, выделяемая в нагрузке (полезная); Р _п – мощность источника питания (затраченная).

Расчет мощности в нагрузке выполняется с использованием действующих значений тока и напряжения в нагрузке и закона Ома [1]:

,

где U _н – амплитуда выходного напряжения (напряжение в нагрузке); I _н – выходной ток (ток в нагрузке); R _н – сопротивление нагрузки; γ – относи­тельная амплитуда выходного напряжения усилителя, 0 ≤ γ ≤ 1; U _н – на­пряжение источника питания.

Количественная оценка искажений в усилителе мощности проводится с помощью коэффициента нелинейных искажений, который определяет, насколько форма выходного сигнала усилителя отличается от гармонической. Коэффициент нелинейных искажений – это отношение среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник выходного сигнала усилителя, кроме первой, к напряжению первой гармоники и рассчитывается по следующей формуле:

,

где U_i – амплитуда напряжения на выходе усилителя i -й гармоники; U ₁ – амплитуда напряжения в выходном сигнале первой гармоники.

Исходные данные для расчета усилителя мощности.

Исходными данными для расчета усилителей мощности являются следующие заданные параметры и характеристики: мощность (Р _н), выделяемая в нагрузке, границы частотного диапазона входного сигнала (верхняя и нижняя частоты), коэффициенты частотных искажений и температурной нестабильности, сопротивление нагрузки (R _н) и коэффициент нелинейных искажений.

При большой мощности в нагрузочном устройстве используются двухтактные усилители мощности.

Классы усиления (режимы работы) усилителей мощности.

Классы усиления характеризуются величиной напряжения смещения U _см, его полярностью и формируемым напряжением на выходе усилителя мощности. В усилителях мощности применяются следующие основные классы усилений: А, В, АВ, С и Д.

Класс усиления A и его характеристика.

В классе A весь период изменения переменного напряжения на входе усилителя в выходной цепи транзистора протекает электрический ток.

Класс усиления А характеризуется следующим [1]:

1. На выходе усилителя мощности создается сигнал с небольшими искажениями, так как транзистор функционирует в линейном режиме, при этом формы напряжения на входе и выходе практически идентичны.

2. Класс усиления А используется в предварительных усилительных каскадах многокаскадных усилителей, ко­торые характеризуются невысоким коэффициентом нелинейных искажений и имеют коэффициент полезного действия, равный 0,5 (η≈ 0,5).

Класс усиления В и его особенности.

В выходной цепи транзистора, на базе которого создан усилитель, в классе усиления В ток протекает только половину периода действия входного переменного напряжения усилителя.

Класс усиления В имеет следующие особенности:

1. Усилитель в режиме В реализуется по двухтактной схеме функционирования.

2. В усилительных каскадах применяется довольно редко, так как            характеризуется высокими нелинейными искажениями выходного напряжения.

3. В усилителе формируется коэффициент полезного действия, примерно равный 0,7.

4. Режим работы В используется в усилителях большой и средней мощности.

Класс усиления AВ и его особенности.

Ток в электрической цепи на выходе транзистора в классе усиления A протекает больше половины периода формирования переменного напряжения входного сигнала.

Класс усиления АВ имеет следующие характеристики:

1. Выходное напряжение характеризуется невысокими искажениями, в то же время создается значительный коэффициент полезного действия.

2. Класс АВ используется при разработке в усилителях мощности выходных каскадов.

На рисунке 1.1 [1] показано обозначение рабочих точек на нагрузочной прямой транзисторного усилительного каскада в классах усиления А, В и АВ усилителя мощности.

Выходные статические характеристики биполярного транзистора, на основе которого разработан усилитель мощности, приведены на рис. 1.1. На рисунке введены следующие обозначения параметров: U _кэ – напряжение коллектор-эмиттер, Е _п – напряжение источника питания, I _б – ток базы биполярного транзистора, I _к – ток коллектора транзистора.

Рабочая точка Т _А в классе усиления А определяется в середине нагрузочной прямой и соответствует активной области режима работы биполярного транзистора. Относительно рабочей точки допускается изменение сигнала до 40%.

В предварительных усилительных каскадах и однотактных усилителях мощности применяется класс усиления А.

Рабочая точка усилителя Т _В находится в конце нагрузочной прямой в классе усиления В. При этомтранзистор работает в режиме отсечки, для которого I _B = 0.

Двухтактные усилители мощности применяются в классе усиления В.

В середине нагрузочной прямой расположена рабочая точка Т _АВ в классе усиления АВ,которая находится на равном расстоянии от рабочих точек класса А – Т _А и класса В – Т _В.

Структурное построение усилителя мощности.

При построении у силителей мощности применяются две структуры: с трансформаторной схемой и бестрансформаторной. Наиболее простая структура усилителя мощности реализуется в результате использования бестрансформаторной принципиальной электрической схемы, поскольку в данной структуре отсутствуют трансформаторы – весьма значительные по объему компоненты.

 

 

 

  

 

Рис. 1.1. Обозначение рабочих точек на выходных характеристиках

в классах усиления А, В и АВ усилителя мощности

При построении усилителей мощности необходимо выполнить следующие требования: формировать цепи отрицательной обратной связи по напряжению, обеспечивать низкое сопротивление на выходе усилителя мощности [1].

Усилитель мощности в основном используется при формировании выходных каскадов в многокаскадных усилителях.

Оценка искажений сигнала в усилителе мощности
методом пяти ординат

 

Для оценки искажений выходных сигналов в усилителях мощности находит широкое применение метод пяти ординат, который основан на использовании формул пяти ординат. С помощью данных формул определяются достаточно просто амплитуды первых четырех гармоник переменного тока и его среднее значение. При этом ток может быть представлен в виде следующего выражения [2]:

 

.                (1.1)

 

На рисунке 1.2 показаны амплитуды первых основных гармоник переменного тока.

 

Рис. 1.2. Амплитуды первых основных гармоник