Проектирование усилителей мощности

Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Нагрузка УМ обычно составляет единицы или десятки ом. Мощность, отдаваемая в нагрузку, может достигать десятков и сотен ватт. Полоса пропускания находится в диапазоне от 5 - 63 Гц до 16 - 80 кГц с неравномерностью АЧХ порядка ±1,5 дБ. К УМ предъявляются повышенные требования к гармоническим искажениям выходного сигнала.

При малой выходной мощности Р_н<100 мВт в качестве оконечного каскада используется обычный резистивный однотактный каскад.

Если требуемая мощность превышает 100 мВт, оконечные каскады выполняют по двухтактной схеме, обеспечивающей возможность работы транзисторов в режиме “В” или близком к нему режиме “АВ” с высоким КПД. Нагрузка может подключаться непосредственно к выходу усилителя либо при помощи согласующего трансформатора.

Использование мощных транзисторов в оконечном каскаде предъявляет ряд требований к схеме с целью:

- термостабилизации тока покоя транзистора для предотвращения теплового пробоя;

- стабилизации напряжения на транзисторах в точке покоя для предотвращения ограничения сигнала на выходе;

- защиты транзисторов от короткого замыкания нагрузки;

- подбора (в отдельных случаях) транзисторов оконечного каскада с близкими характеристиками.

После ориентировочного расчета оконечного каскада переходят к выбору схем каскадов предварительного усиления.

В качестве каскадов предварительного усиления наиболее широко используются резисторные каскады, построенные на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, или на полевых транзисторах, включенных по схеме с общим истоком. Их количество выбирают исходя из необходимого коэффициента усиления. Также для предварительного усиления можно использовать каскады на ОУ.

Коэффициент усиления резисторного каскада должен быть максимально возможным. При этом следует стремиться к тому, чтобы частотные и нелинейные искажения, а также мощность, потребляемая от источника питания, оказались минимальными и не сказывались на аналогичных показателях всего усилителя. Разбросы и температурные изменения параметров транзисторов не должны приводить к существенным отклонениям характеристик каскада.

Входной каскад должен обеспечить согласование источника сигнала с усилителем и выбирается исходя из заданных параметров схемы.

Рекомендуется:

- при R_вх£10 кОм входной каскад выполнять на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером;

- при R_вх>10 кОм - на биполярном транзисторе по схеме с общим коллектором;

- при R_вх>100 кОм - на полевом транзисторе по схеме с общим истоком или с общим стоком.

В предварительных и во входных каскадах транзисторы работают в режиме “A”.

В УМ для уменьшения нелинейных искажений применяют отрицательную обратную связь (ООС). Также ООС обеспечивает небольшое R_вых, которое способствует постоянству выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. При работе на постоянную нагрузку в виде громкоговорителя малое значение R_вых обеспечивает улучшение качества воспроизведения звука за счет демпфирование собственных колебаний подвижной системы.

Также меньший коэффициент нелинейных искажений можно получить в каскадах на полевых транзисторах, так как они имеют более протяженную линейную область рабочей характеристики. Искажения в дифференциальных усилителях примерно в 10 раз меньше, чем в обычных (на отдельных транзисторах) усилителях.

Больший коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОЭ можно достичь, если вместо резистора использовать источники постоянного тока (динамическую нагрузку).

Электрический расчет УМ производится в следующем порядке.

Вначале рассчитываются оконечный и предоконечный каскады, элементы стабилизации режима, глубина обратной связи. Расчет каскадов предварительного усиления и входной цепи здесь не имеет существенных особенностей. Затем выполняется расчет питающих цепей.

Рекомендации по выбору схем УМ, их расчету приводятся в [1 - 14].