Однотактные и двухтактные усилители мощности

Классы усиления сигнала

В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора различают А, В, АВ, С, Д классы усилений.

Класс А:

В этом режиме рабочая точка находится на середине квазилинейного участка проходной характеристики. В этом режиме обеспечиваются минимальные нелинейные искажения (<1%), но он имеет низкий КПД (менее 50% для синусоидального сигнала) и высокие потери мощности в режиме отсутствия сигнала.

Используется: 1) в усилителях напряжения, где КПД низкий и большие потери мощности в режиме покоя являются несущественными (мощности маленькие, т.к. усилиетли чаще всего входные и промежуточные);

2) В усилителях мощности сверхвысокого качества, где существенным приоритетом обладают высокая линейность усилителя.

Класс В:

В этом режиме рабочая точка находится в начале проходной характеристики U_бэ = 0.

Достоинства: достаточно высокий КПД (до 78% при усилении синусоидального сигнала), отсутствие потерь мощности в режиме покоя.

Недостатки: высокие нелинейные искажения.

Применение: 1) в усилителях мощности невысокого качества и высокой экономичности при наличии глубокой ООС(которая уменьшает искажения)

2) в выходных каскадах ОУ и там, где нелинейные искажения не играют роли.

Класс АВ:

В этом режиме рабочая точка находится в начале квазилинейного участка проходной характеристики. Положение ее может регулироваться. Чем левее мы ее выбираем, тем меньше Кг, но ниже КПД и выше потери в режиме покоя.

Достоинства: 1) Имеет высокий КПД (60-65%);

2) невысокие потери мощности в режиме покоя

3) относительно невысокие нелинейные искажения(<3%).

Недостатки: 1) необходима схема поддержания начального тока коллектора;

2) необходимо принятие специальных мер для ослабления влияния температурной положительной ОС в БПТ.

Используется в усилителях мощности среднего и

высокого качества, охваченных цепями ОС.

Класс С:

В этом режиме транзистор заперт напряжением смещения на базе и находится в режиме отсечки, т.е. рабочая точка находится левее нуля (в отрицательной области). Транзистор надёжно закрыт обратным смещением.

КПД более высокий чем в режиме В (≈90%), отсутствуют потери мощности в режиме покоя, но очень высокие нелинейные искажения (до 20%).

Используется: 1) в устройствах, где существенны даже незначительные увеличения КПД (в мощных радиопередающих устройствах), а подавление высших гармоник осуществляется выходным высокодобротным колебательным контуром.

2) в усилителях, где нелинейные искажения не играют роли, в СВЧ-печах.

Класс Д (ключевой режим):

В этом режиме транзистор либо закрыт, либо открыт. Это импульсный режим работы транзистора. Рабочая точка может находиться как в начале координат, так и левее (с целью уменьшения времени запирания транзисторов).

Достоинства: 1) очень высокий КПД (стремится к 100%), что обусловлено малыми потерями в отсечке и насыщении и их возрастанием только при переключении режимов.

2) время переключения можно уменьшать.

3) потери мощности в режиме покоя отсутствуют.

4) нелинейные искажения чаще всего не играют роли, т.к. усилители не звуковые, а аналоговые.

Применение: 1) ключевые усилители импульсных источников питания;

2) в преобразователях напряжения;

3) в звуковых усилителях сверхвысокой мощности после подавления и сглаживания высокочастотных составляющих ШИМ.

В двухтактном положительная полуволна усиливается одним транзистором, отрицательная – другим; в однотактном и положительная и отрицательная полуволны усиливаются одним транзистором.

Однотактный усилитель малой мощности:

8 Ом

А

-30 В

+15 В

8 Ом

Режим работы по постоянному току выбирается таким образом, чтобы φ точки А при отсутствии входного сигнала был равен 0, для исключения протекания постоянного тока через динамик.

Двухтактный усилитель мощности:

-Uп

VT2

Rн

VT1

+Uп

Работает в классе В.

Когда положительная полуволна на входе достигает напряжения для отпирания VT1 (0,6 В), последний открывается, ток от источника питания через транзистор протекает в нагрузку, выделяя на ней напряжение практически идентичное входному, VT2 при этом заперт.

При отрицательной полуволне отпирается VT2, VT1 закрыт отрицательным потенциалом.

При входном напряжении < 0,6В оба транзистора закрыты.

Диоды находятся вблизи транзисторов и имеют с ними непосредственный тепловой контакт.

При использовании переменных резисторов, можно устанавливать положение рабочей точки исходя из требуемой экономичности и величины нелинейных искажений.

С целью температурной стабилизации Iк в базовом делителе могут использоваться терморезисторы. Однако подобрать температурные коэффициенты делителей таким образом, чтобы компенсировать температурную зависимость Iк оказывается достаточно сложно. Ставим кремниевые диоды. Между диодами (терморезисторами) и корпусами выходных транзисторов необходимо обеспечить хороший тепловой контакт. Тем ни менее транзисторы неодинаковы => ставим резисторы.

R5

VT1

100 Ом

R6

-Uп

VT7

VT6

VT4

VT3

VT2

Rн

VD3

R4

R3

R2

R1

VD1

VD2

+Uп

VT5

Схема Дарлингтона

Схема Шиклаи

Каскад на VT1 – источник тока (с целью увеличения К_U).

Каскад на VT2 обеспечивает положение рабочей точки. VT2 открывается и закрывается таким образом, чтобы его напряжение БЭ было ≈0,6В. В нижнем положении движка потенциометра (переменного резистора) (R₂=0) U_кэ2=0,6В, в верхнем положении (R₂=5,1 кОм) U_кэ2=3,6В.

VT2 располагается вблизи транзисторов VT7 или VT5.

Изменяя положение движка R₂, меняем положение рабочей точки и устанавливаем ток покоя УМ.

R_вх≈ R_вх.тр.∙h₂₁;

R_вых≈;

Нагрузка каскада с ОЭ на VT3 является источник тока, выполненный на VD1, VD2, VT1, R1, R7. Каскад на VD2 обеспечивает регулируемое начальное смещение между базами VT4, VT6. VT2 открывается/закрывается таким образом, чтобы обеспечить напряжение между В

В нижнем положении движка R2 напряжение между базами VT4, VT6 будет 0,6В, в верхнем положении 0,6(1+2,4)В.

Схема Дарлингтона (верхнее положение движка R₂):

h₂₁≥ h₂₁₍₄₎∙ h₂₁₍₅₎;

U_{бэ экв}≈1,2В=(U_бэ4+ U_бэ5);

U_{к экв} >0,6В=(U_кэ4+ U_бэ5).

Схема Шиклаи: позволяет применять одинаковые транзисторы в выходном каскаде,

h_21э≥ h₂₁₍₆₎∙ h₂₁₍₇₎;

U_{бэ экв}≈0,6В(U_бэ6);

U_{к экв} >0,7В(U_кэ6+ U_бэ7).

VD3 предназначен для симметрирования усилителей положительной и отрицательной полуволн по входящему напряжению. Он должен быть мощным и высокочастотным.