7.2. Основные теоретические сведения

В мощных выходных каскадах аудио систем, в схемах возбуждения ультразвуковых излучателей и во многих других применениях приходится нагружать транзисторы большим током при сравнительно высоком напряжении питания. В результате в транзисторах выделяется большая мощность и увеличивается их температура. Для рассеивания тепла приходится применять специальные теплоотводы с естественным или принудительным воздушным охлаждением. Это приводит, с одной стороны, к удорожанию усилительных устройств, а с другой стороны, заставляет задумываться о кпд усилительного каскада. Основные составляющие баланса мощности усилительного каскада изображены на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Основные составляющие баланса мощности усилительного каскада:

Р_{вх и} Р_вых - входная и выходная мощность, соответственно; Р_ип – мощность, отбираемая от источника питания; Р_т – мощность тепловых потерь

Входная мощность Р_вх выделяется во входных цепях усилителя. Эту мощность усилитель отбирает от источника сигнала. Для того, чтобы усилить Р_вх до уровня Р_вых усилитель затрачивает мощность источника питания Р_ип . Часть мощности Р_ип идет на компенсацию потерь в усилителе. Потери, в конечном счете, приводят к нагреву транзисторов и других элементов схемы и являются мощностью тепловых потерь Р_т, рассеиваемых в окружающее пространство.

Мощные выходные каскады характеризуют коэффициентом усиления по мощности K_p и коэффициентом полезного действия η:

; .

Как правило, транзисторные усилители мощности имеют высокий коэффициент K_p. Это позволяет упростить выражение для кпд: .

Если от транзисторного усилителя мощности требуется достоверное воспроизведение формы входного сигнала, то, в зависимости от положения рабочей точки на линии нагрузки, устанавливают три следующие класса работы: А, В и АВ.

Класс А. Работа усилителя в этом классе не сопряжена ни с насыщением, ни с запиранием транзистора. В идеальном случае, при отсутствии сигнала, исходная рабочая точка (ИРТ) усилителя расположена в середине линии нагрузки (точка А на рис. 7.2).

Рис. 7.2. Положение ИРТ при работе усилителя в классах А, В и АВ и осциллограммы

тока базы, тока коллектора и выходного напряжения в режиме класса А

В простейшем случае сопротивление нагрузки усилителя класса А включается последовательно в цепь коллектора выходного транзистора VT, рис. 7.3. При синусоидальном входном сигнале ток, протекающий через сопротивление нагрузки усилителя класса А, содержит постоянную и синусоидальную составляющие:

. (7.1)

Мощность, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки, будет иметь также две составляющие:

(7.2)

Первое слагаемое в формуле (7.2) является постоянной составляющей и не создает полезной мощности. Второе слагаемое, напротив, представляет полезную мощность. Нетрудно показать, что средняя мощность, отбираемая от источника питания Р_ип равна:

. (7.3)

Мощность P_VT, рассеиваемая в транзисторе, представляет собой разность между Р_ип и полезной мощностью:

. (7.4)

Из (7.4) видно, что мощность, рассеиваемая транзистором, максимальна в отсутствии полезного сигнала.

Кпд усилителя представляет собой отношение полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания. Поскольку амплитуда полезного сигнала U_m не может быть больше U_п/2, то значение кпд для данного класса усилителя равно: η ≤ 25%. Включение сопротивления нагрузки через согласующий трансформатор позволяет удвоить кпд, но возникают проблемы, связанные с полосой пропускания усилителя и насыщения сердечника трансформатора.

Класс В. Для построения усилителя класса В используется комплементарная пара транзисторов – один n-p-n –, а другой p-n-p – типа, включенных в схему с общим коллектором. Оба транзистора должны иметь одинаковые коэффициенты усиления по току и близкие значения всех других параметров. Базы транзисторов в усилителе класса В смещены таким образом, что коллекторный ток обоих транзисторов равен нулю. В схеме, изображенной на рис. 7. 4, данное условие выполняется благодаря применению двух одинаковых источников питания U_п1 и U_п2 , создающих напряжения различной полярности относительно общей точки схемы. При таком питании входное напряжение, равное нулю, обеспечивает надежное запирание обоих транзисторов.

В процессе работы каждый из транзисторов половину периода заперт, а другую половину периода усиливает предназначенную для него полуволну входного сигнала. Транзистор VT1 открыт, если U_г > 0, а VT2 открыт, когда U_г < 0. Если пренебречь напряжением U_бэ, то для эмиттерного повторителя на транзисторе VT1 справедливы следующие выражения:

; и .

Из данных выражений можно получить напряжение на нагрузке для положительной полуволны:

. (7.5)

Точно такой же будет формула для напряжения на нагрузке в отрицательную полуволну. Для того чтобы обе полуволны были симметричны, необходимо иметь одинаковый коэффициент усиления обоих транзисторов.

Оценим кпд усилителя класса В для синусоидального сигнала. Ток в нагрузке в любой момент времени равен: . Полезная мощность, выделяемая в нагрузке: .

Если I₁ и I₂ – постоянные составляющие токов коллектора транзисторов VT1 и VT2, то мощность, потребляемая от источника питания, будет содержать два компонента: Р_ип = U_п1I₁ + U_п2I₂ . Используя интегральные выражения для среднего значения тока и полагая равными два напряжения питания, получим:

. (7.6)

В результате, кпд может быть найден из выражения:

(7.7)

Очевидно, что максимальное значение кпд для класса В будет при U_m = U_п : т.е. 78,5 % и тогда при равной выходной мощности, усилитель, работающий в классе В, может иметь менее мощные транзисторы, чем это было бы необходимо для класса А.

Однако, в следствие того, что транзисторы имеют пороговое напряжение база-эмиттер (для кремния 0,65 В), рассмотренная схема скорее может быть отнесена к классу С, работающему с отсечкой входного сигнала, рис. 7.5.

Вследствие отсечки на осциллограмме выходного сигнала усилителя возникают искажения, именуемые «центральные ступеньки». Избавиться от данных искажений позволяет схема, изображенная на рис. 7.6. В ней параллельно переходам база-эмиттер транзисторов установлены диоды VD1 и VD2, создающие начальное смещение на данных переходах. Если параметры диодов совпадают с характеристиками переходов база-эмиттер, то, пропуская через диоды определенный ток, ограничиваемый резисторами R1 и R2, можно получить на них падение напряжения, компенсирующее пороговое напряжение U_бэ. Однако для полного устранения искажений оказывается необходимым создать в цепи выходных транзисторов небольшой начальный ток, что позволяет выйти на линейный участок входной характеристики транзисторов. Такой режим называется АВ (точка АВ на рис. 7.2). Протекая через сопротивление нагрузки R_н, начальные токи двух транзисторов взаимно ком-

пенсируются, создавая в режиме покоя нулевое падение напряжения на R_н.

Уравнивание токов обоих транзисторов осуществляется регулировкой сопротивления R2. Токи в цепях транзисторов VT1 и VT2 окажутся равными, когда потенциал в точке соединения диодов VD1 и VD2 при отсутствии входного сигнала установится равным нулю. Если под воздействием входного сигнала потенциал данной точки станет положительным, то увеличится ток в цепи диода VD2. Это приведет к увеличению падения напряжения на нем, а значит и напряжения U_бэ транзистора VT2. В результате, ток транзистора VT2 также увеличится. В отрицательную полуволну входного сигнала увеличение тока произойдет в цепи транзистора VT1. Кпд такой схемы ниже, чем в классе В, но существенно выше, чем в классе А.