Вопрос №3. Усилители мощности (УМ) предназначены для обеспечения на выходе УЗЧ необходимой мощности сигнала при допустимых частотных и нелинейных искажениях

Усилители мощности (УМ) предназначены для обеспечения на выходе УЗЧ необходимой мощности сигнала при допустимых частотных и нелинейных искажениях. В оконечных каскадах применяются как однотактные, так и двухтактные УМ. Нагрузка оконечного каскада может быть подключена с помощью трансформаторной связи (трансформаторный УМ) или бестрансформаторной связи (бестрансформаторный УМ).

Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

ВОПРОС №2

Двухтактная схема (по сравнению с однотактной) обеспечивает удвоенную выходную мощность и меньшую величину нелинейных искажений за счет полной или частичной компенсации четных гармоник.

В трансформаторных каскадах УМ в основном применяется схема, в которой усилительный элемент включен по схеме с общим эмиттером, катодом, истоком. Такая схема дает наибольшее усиление по мощности, однако коэффициент нелинейных искажений также большой.

В бестрансформаторных каскадах УМ также применяется включение усилительного элемента по схеме с общим катодом и общим эмиттером. Схема имеет малое выходное сопротивление, что дает возможность включить нагрузку непосредственно в выходную цепь транзисторов (без выходного трансформатора).

Для получения на выходе УМ заданной мощности сигнала необходимо правильно выбирать соответствующие типы усилительного элемента. Так, при выборе транзисторов учитывается их граничная частота (для обеспечения равномерного усиления заданной рабочей полосы частот) и допустимая мощность рассеяния на коллекторе.

Для стабилизации режима транзисторных УМ наиболее часто применяется схема эмиттерной стабилизации, а также температурной компенсации с помощью терморезистора или полупроводникового диода.

Усилительные элементы в УМ могут работать в режимах усиления классов А, В или АВ (особенности работы этих классов расскрыты в лекции №6 по разделу №6 дисциплины «Основы схемотехники»).

Режим усиления класса А применяется:

– в предварительных каскадах (в основном);

– в усилителях небольшой мощности, когда требуется обеспечить минимальные искажения (в усилителях с большой выходной мощностью применение экономически нецелесообразно).

Режим усиления класса В целесообразно применять в двухтактных УМ (одно плечо работает при положительном полупериоде, а другое – при отрицательном, в результате чего усиливаются две полуволны сигнала.

Режим АВ широко применяется в двухтактных УМ.

Двухтактные трансформаторные УМ применяются в основном для получения большой выходной мощности полезного сигнала при высоком КПД. Выходная мощность такого усилителя определяется типом усилительного элемента и режимом его работы.

Усилительный элемент, в основном, включается по схеме с общим эмитером (общим катодом, общим затвором). В таких схемах за счет лучшего использования транзисторов возможно получение большой величины мощности. При этом получаются меньшие искажения, но и меньшая величина усиления. Схема с общим коллектором в двухтактных УМ не применяется, сравнительно редко применяется схема с общей базой.

Схема двухтактного трансформаторного УМ представляет собой совокупность двух одинаковых однотактных каскадов, соединенных между собой (рис.21.2). Они имеют общий источник питания и работают на общую нагрузку.

С_Ф

U_ВХ R_Н

Рис.21. 2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Каждый однотактный каскад образует плечо. Оба плеча двухтактной схемы электрически симметричны. Для обеспечения симметрии УП должны быть однотипными, иметь одинаковые параметры и симметричные режимы.

Для обеспечения симметричности режимов на вход двухтактного каскада подаются два симметричных напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2, которые равны по величине, но противоположных по фазе.

Эти напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2 получены при помощи входного трансформатора ТР₁ со средней точкой во вторичной обмотке (трансформатор является нагрузкой предоконечного каскада). Нагрузкой транзисторов VТ₁ и VТ₂ является первичная обмотка трансформатора ТР₂ (со средней точкой), включенная в общую коллекторную цепь обоих транзисторов.

Смещение на транзисторы подается с делителей R₁ и R₂.

Температурная стабилизация режимов транзисторов обеспечивается включением терморезистора RТ в общей цепи эмиттерных токов транзисторов VТ₁ и VТ₂. Как правило, для обеспечения симметрии схемы и стабилизации режима в цепи эмиттеров транзисторов VТ₁ и VТ₂ включаются регулировочные резисторы R₁ и R₂, не блокированные конденсаторами (при этом образуется отрицательная обратная связь по переменному току, которая будет обеспечивать стабилизацию режима транзисторов).

Мгновенная полярность усиливаемого сигнала на вторичной обмотке трансформаторов ТР₁ показана на рисунке 21.2. Так как к каждому из транзисторов приложены равные по величине, но противоположные по фазе напряжения, то и переменные составляющие коллекторных токов транзисторов будут сдвинуты по фазе на 180°. Усилитель работает в режиме усиления класса «А».

Путь прохождения переменной составляющей коллекторного тока транзистора VТ₁ возможно представить следующей последовательностью: эмиттер-коллектор транзистора VТ₁, верхняя часть первичной обмотки трансформатора ТР₂, С_Ф, эмиттер транзистора VТ₁;

Путь прохождения переменной составляющей коллекторного тока транзистора VТ₂: эмиттер-коллектор транзистора VТ₂, нижняя часть первичной обмотки трансформатора ТР₂, С_Ф, эмиттер транзистора VТ₂.

Сравнивая эти цепи, можно заметить, что в «общем проводе» (на участке АВ) переменные составляющие коллекторных токов компенсируют друг друга (так как они сдвинуты на 180°). Это означает, что в «общем проводе» переменная составляющая отсутствует. Это упрощает требования к блокировочной емкости С_Ф и ее величина может быть вдвое меньше, чем в обычном усилителе.

Так как переменная составляющая коллекторного тока не ответвляется в «общий провод», то фактически она протекает в цепи (эмиттер-коллектор транзистора VТ₁, первичная обмотка трансформатора ТР₂, коллектор-эмиттер транзистора VТ₂). Это прохождение в одну часть полупериода входного сигнала, а во вторую часть полупериода ток протекает в этой же цепи в обратном направлении.

Постоянные составляющие коллекторных токов обоих транзисторов I₀₁ и I₀₂ в первичной обмотке трансформатора ТР₂ протекают навстречу друг другу и при равенстве этих токов магнитные потоки, создаваемые ими, взаимно компенсируются. Это приводит к отсутствию вредного подмагничивания трансформатора постоянным током, что облегчает вес конструкции трансформатора и уменьшает его габариты.

Следует отметить, что четные гармоники коллекторных токов также взаимно компенсируются, так как они протекают в первичной обмотке трансформатора ТР₂ навстречу друг другу. Их отсутствие резко уменьшает нелинейные искажения по сравнению с однотактной схемой. Компенсация четных гармоник позволяет выбрать более экономичный режим В или (АВ), который неприемлим в однотактной схеме.

Достоинства двухтактной схемы УМ:

1. Компенсация влияния четных гармоник на выходе.

2. Отсутствие постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора постоянными составляющими коллекторных токов.

3. Компенсация нечетных гармоник тока в общем проводе питания (уменьшает паразитную межкаскадную связь, повышает устойчивость усилителя, упрощает его развязывающий фильтр).

4. Полезная мощность в 2 раза больше, чем в однотактной схеме (при одинаковых типах усилительных элементов и режимах их работы).

5. Пульсации питающих напряжений не создают фона, так как вызывают синфазное изменение выходного тока I_ВЫХ в обоих усилительных приборах, что не приводит к изменению магнитного потока в выходном трансформаторе. Это упрощает и удешевляет сглаживающие фильтры источника питания.

6. Двухтактные УМ почти не подвержены самовозбуждению за счет паразитных межкаскадных связей через общий источник питания, т.к. выходные токи транзисторов, протекающие через общий источник питания, не содержат составляющих основной частоты. Это позволяет упростить и удешевить развязывающие фильтры в цепях питания каскада, а в самом каскаде представляется возможным исключить блокировочные конденсаторы цепей питания и смещения.

Недостатки двухтактного УМ:

1. Сложность схемы.

2. Трудность обеспечения полной симметрии плеч схемы.

3. Входное напряжение должно быть в 2 раза больше, чем в однотактной схеме (на вход каждого плеча подается только половина входного напряжения).

4. Усложняется схема предоконечного каскада (он должен обеспечить на входе двухтактной схемы два равных и противофазных напряжения).

Выводы по 2-му вопросу:

1. Главным достоинством двухтактной трансформаторной схемы является увеличенная в два раза выходная мощность усилителя.

2. Главным недостатком, сдерживающим использование двухтактной трансформаторной схемы является ее большая масса, габариты, а также сложность симметрирования.

Бестрансформаторный усилитель мощности

Особенностью рассмотренного выше УМ является наличие трансформатора в выходной цепи усилительных приборов. Трансформаторы создают значительные частотные искажения и нелинейные искажения (из-за нелинейных свойств магнитных материалов). Трансформаторы громоздки и имеют большую массу. Отсутствие выходного трансформатора позволит значительно уменьшить частотные и нелинейные искажения, габариты, массу и стоимость усилителя, а также повысить его КПД.

В бестрансформаторной схеме УМ выходной трансформатор не применяется (отсюда и название), поэтому выходное сопротивление каскада становится равным или почти равным сопротивлению нагрузки.

Оконечные каскады с бестрансформаторным выходом собираются по двухтактной схеме и могут работать в режимах усиления классов А, В и АВ.

В однотактных каскадах бестрансформаторное включение нагрузки нецелесообразно – в этом случае через нагрузку будет проходить постоянная составляющая тока УП, вследствие чего значительно уменьшается выходная мощность и КПД каскада.

В радиоприемниках применяются различные варианты схем бестрансформаторных двухтактных УМ. Схема двухтактного бестрансформаторного каскада на транзисторах противоположного характера проводимости представлена на рисунке 21.3. Транзисторы VТ1 и VТ2 (VТ1 – с р-n-р структурой, VТ2 – с n-р-n структурой) работают в режиме АВ.

Схема образована двумя однотипными транзисторами VТ1 и VТ2, включенными последовательно по постоянному току, а по переменному току (т.е. по отношению к нагрузке) – параллельно. Так как транзисторы включены последовательно, то источник питания должен иметь удвоенное значение напряжения Е_К. При этом, параллельное включение дает возможность уменьшить значение нагрузки R_Н.

В данной схеме использованы транзисторы с различным типом проводимости, но параметры и характеристики этих транзисторов должны быть одинаковы. Транзисторы VТ1 и VТ2 образуют два плеча усилителя.

С_Ф

U_ВХ

R_Н

Рис.21.3. Бестрансформаторный усилитель мощности

Особенность работы входной цепи состоит в том, что одно и то же напряжение сигнала синфазно подается на входы обоих транзисторов (такой усилитель не нуждается в предыдущем инверсном каскаде). При подаче на вход усилителя сигнала будут изменяться базовые, а следовательно, и коллекторные токи транзисторов VТ1 и VТ2 (верхнего и нижнего плеча двухтактной схемы). Но так как транзисторы имеют противоположный характер проводимости, то входной ток в одном плече будет закрывать транзистор, а ток в другом плече, в это же время, открывать – и схема будет работать как двухтактная.

Другими словами, в течение одного полупериода входного сигнала увеличиваются ток базы и коллекторный ток транзистора VТ1 верхнего плеча, при этом переменная составляющая коллекторного тока VТ1 пройдет через нагрузку R_Н в одном направлении (цепь прохождения тока: эмиттер-коллектор VТ1, R_К1, С_Ф, корпус, R_Н, С_Р, эмиттер VТ1).

В течение следующего полупериода входного сигнала увеличатся ток базы и коллекторный ток транзистора нижнего плеча VТ2, и переменная составляющая коллекторного тока пройдет через нагрузку R_Н в обратном направлении. Прохождение тока в цепи описывается следующим образом: коллектор-эмиттер VТ2, С_Р, R_Н, корпус, эмиттер VТ2. В результате за период входного сигнала на зажимах нагрузки будет создаваться выходное напряжение, форма которого будет повторять форму входного сигнала.

Достоинства схемы усилителя:

1. Малые стоимость, вес и габариты.

2. Незначительные частотные и нелинейные искажения.

3. Более высокий КПД (возрастает из-за отсутствия трансформатора, который создает потери).

Недостатки схемы усилителя:

1. Низкая термостабилизация транзисторов (схема требует сложных мер термостабилизации).

2. Необходимость источника питания с повышенным напряжением из-за последовательного включения транзисторов.

3. Сложность подбора транзисторов с одинаковыми параметрами (при использовании транзисторов разной проводимости).

Выводы по 3-му вопросу:

1. Оконечные каскады низкочастотного тракта радиоприемника являются УМ, обеспечивающими передачу в нагрузку заданной выходной мощности. Они могут быть выполнены как по однотактной, так и по двухтактной схеме.

2. Двухтактная схема, работающая в режиме класса В, позволяет повысить экономичность работы УМ.

3. Оконечные каскады с бестрансформаторной связью с нагрузкой обладают более совершенной частотной характеристикой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данной лекцией закончилось изучение принципов построения, функционирования, а также особенностей работы различных устройств радиотехнических средств связи. В основу изучения положено рассмотрение различных типов усилителей. Как было показано, практически все устройства, представленные в курсе дисциплины «Основы схемотехники», нашли применение в радиоприемниках, радиопередатчиках и радиостанциях ВМФ, изучение которых начнется на третьем курсе.