Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией (усилитель типа мдм)

В усилителях рассматриваемого типа входной постоян­ный или медленно изменяющийся сигнал, как уже отме­чалось, преобразуется (модулируется) в переменный сигнал по­вышенной частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряже­ния часто составляет десятки килогерц.

Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 2.13. Модулятор преобразует постоянный или мед­ленно изменяющийся входной сигнал в переменное на­пряжение с частотой/_оп, определяемой генератором опор­ного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение и_м с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилите­ля переменного тока. Демодулятор - фазочувствительный выпрямитель - преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.

Временные диаграммы указанных на схеме напряже­ний, поясняющие работу усилителя, приведены на рис. 2.14.

Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорва­ны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут исполь­зоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах. Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора вход­ную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, к примеру, в медицинской электронике.

Рисунок 13

Рисунок 14

Усилители мощности (мощные выходные усилители)

Усилителем мощности называют усилитель, предназна­ченный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_Н при заданном сопротивлении нагрузки R_H. Усилитель мощности является примером устройств силовой электро­ники. Основная цель при разработке таких устройств со­стоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

В противоположность устройствам силовой электрони­ки при проектировании устройств информативной (ин­формационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и по­лучить выходные сигналы, содержащие ту или иную ин­формацию о входных сигналах. В качестве примера можно назвать устройства, определяющие в какой момент времени вход­ной сигнал принимает максимальное значение. В устрой­ствах информативной электроники, как правило, стремят­ся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. Получается в устройствах силовой электроники такую задачу нельзя ставить в принципе.

Реальное устройство может содержать черты как сило­вой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отме­тить, что функции устройств информативной электрони­ки все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микро­процессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.

На усилитель мощности, как правило, приходится по­давляющая часть мощности, потребляемая тем устрой­ством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициен­та полезного действия усилителя мощности. Другой важ­ной проблемой является уменьшение габаритных раз­меров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, пото­му что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габарит­ные размеры и вес усилителя.

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных состав­ляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзи­сторов и возникают нелинейные искажения входного сиг­нала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима ра­боты, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных харак­теристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень не­линейных искажений можно обеспечить в режиме клас­са А, а максимально возможный КПД - в режиме клас­сов В или АВ.

Усилители мощности бывают однотактные и двухтакт­ные, причем первые работают в режиме класса А, а вто­рые - в режиме классов В или АВ. Однотактные усили­тели мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Р_Н при разработке усилителя мощно­сти должен быть решен вопрос о соответствующем выбо­ре напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может со­здать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

Тогда максимально возможная мощность нагрузки P_HМАКС определится выражением

Откуда

Если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласова­ния усилителя и нагрузки можно использовать трансформа­тор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.

Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с по­мощью трансформатора (рис. 15). Через W₁ и W₂ обозна­чено соответственно количество витков первичной и вто­ричной обмоток трансформатора, а через и_вых и R_вых - соответственно выходное напряжение и выходное сопро­тивление усилителя.

Рисунок 15

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 16. В ней через R'_н обозначено приведенное сопротивление нагрузки

где n – коэффициент трансформации

Рисунок 16

Изменяя коэффициент трансформации, можно добить­ся необходимого согласования усилителя и нагрузки, при­чем известно, что максимальная мощность в нагрузку от­дается при R_вых = R'_H. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации: