Усилители мощности

Введение

Усилители мощности ─ это выходные усилительные каскады многокаскадного усилителя в электронных устройствах. При проектировании усилителя мощности на первый план выдвигаются два параметра ─ КПД (коэффициент полезного действия) и уровень нелинейных искажений, который оценивается коэффициентом нелинейных искажений.
КПД оценивается отношением полезной мощности (выделенной в нагрузке) к затраченной (потребляемой от источника).
Актуальность темы реферата заключается в том, что усилительные устройства – неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Бурное развитие радиотехнических систем, телевидения, радиоастрономии, радиоуправления требует постоянного совершенствования радиотехнической аппаратуры.
Цель работы – более полное изучение усилителей мощности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть общие сведения об усилителях мощности, их классификацию и режимы работы, структуру электронного усилителя, основные параметры и характеристики усилителей мощности, линейные и нелинейные искажения в изучаемых усилителях, однотактные и двухтактные усилители, бестрансформаторные усилители мощности, а так же усилители мощности в интегральном исполнении и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (три главы), заключение и библиографический список, состоящий из восьми источников литературы.
1. Электронные усилители
1.1 Общие сведения
Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы. Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения.
Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала.
Обобщенная схема включения усилителя приведена на Рисунке 1.1.1
Рисунок 1.1 - Схема включения электронного усилителя
Источником входного сигнала усилителя может быть любой преобразователь электрической или неэлектрической величины в электрическую: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов, поступающих на вход усилителя, достаточно широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2 … 5 мВ при малой мощности. От микрофона на вход усилителя может поступать напряжение, не превышающее десятых – сотых долей милливольта. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее десятков – сотен вольт при мощности сигнала в единицы ватт.
Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой. В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в электрическую или неэлектрическую: телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах. Например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.
1.2 Классификация усилителей мощности и режимы их работы
Электронные усилители классифицируют по следующим признакам:
• по усиливаемой величине: усилители напряжения (УН), тока (УТ), мощности (УP);
• по назначению: измерительные; для устройств теле и радиовещания; общепромышленного использования; операционные, используемые в аналоговых и аналого-цифровых устройствах;
• по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических, импульсных и другой формы сигналов;
• по частоте усиливаемых сигналов: усилители постоянного тока (УПТ); усилители звуковой частоты (УНЧ, f < 30 кГц); усилители высокой частоты (УВЧ, f < 300 МГц); усилители сверхвысокой частоты (УСВЧ, f < 300 ГГц);
• по ширине частотного спектра выходного сигнала: широкополосные и узкополосные (резонансные);
• по схеме включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ); с общей базой (ОБ); с общим коллектором (ОК); с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС); с общим затвором (ОЗ);
• по количеству каскадов усиления: однокаскадные; многокаскадные (каскад предварительного усиления, промежуточные и выходной каскады);
• по типу связи между каскадами и между оконечным каскадом и нагрузкой: резистивная (гальваническая), ёмкостная, трансформаторная.2
Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов) традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Буквенные обозначения классов усиления могут дополнительно уточняться суффиксом, указывающим на режим согласования мощного каскада с источником сигнала (AB1, AB2 и т. п.) и с нагрузкой (F1, F2, F3). Устройства, совмещающие свойства двух «однобуквенных» классов, могут выделяться в особые классы, обозначаемые сочетанием двух букв (AB, BD, DE и устаревший BC).
В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и C близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада, понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом.
Режим А (Рисунок 1.2) — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается

. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости 2Θc равен 360°.3
Рисунок 1.2 – Управляющее напряжение и управляемый ток в усилителе класса А
В режиме B (Рисунок 1.3) усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину.
Рисунок 1.3 - Управляющее напряжение и управляемый ток в усилителе класса B
Режим AB (Рисунок 1.4) является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение большей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости 2Θc такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.
Рисунок 1.4 - Управляющее напряжение и управляемый ток в усилителе класса АB
В режиме C (Рисунок 1.5), также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°).
Рисунок 1.5 - Управляющее напряжение и управляемый ток в усилителе класса C
В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов. В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами миллиом, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %, в наиболее экономичных образцах 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности. Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B.
2. Устройство и работа усилителей мощности
2.1 Структура электронного усилителя
Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.1 - Обобщенная структурная схема усилителя
В состав усилителя входят следующие элементы:
• оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для усиления мощности сигнала и выделения ее в нагрузке (Н);
• предоконечный каскад (ПОК),предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада. При большой величине мощности оконечного каскада ПОК должен обеспечивать мощность, достаточную для получения требуемой неискаженной выходной мощности усилителя. Если оконечный каскад является двухтактным, то предоконечный каскад выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала;
• каскады предварительного усиления (ПрК) (их количество определяется с учетом обеспечения требуемого коэффициента усиления напряжения), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;
• выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечного каскада, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;
• входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;
• цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов (для указанных целей могут быть использованы разделенные цепи ООС по переменному и постоянному току). Цепи ООС могут охватывать или не охватывать выходное устройство, а также охватывать все или часть каскадов предварительного усиления;
• Устройство безынерционной защиты;
• Источник питания и фильтры.4
2.2 Основные параметры и характеристики усилителей
Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и частотные. Амплитудная характеристика описывает усилитель при фиксированной нагрузке и подаче на вход синусоидального напряжения фиксированной частоты: Uвх =Um sinωt, ω = const
Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного сигнала от амплитуды (или действующего значения) входного синусоидального сигнала, т. е. Uвых = f (Uвх) .
Типичный вид амплитудной характеристики усилителя изображен на Рисунке 2.2