и
равны, и рабочая точка находится на линейном участке
передаточной характеристики (рис. 4.4.2).
Усилители мощности
Усилители мощности используют в выходных каскадах усилителей. Их основное назначение – передача заданной мощности в нагрузку. Коэффициент усиления напряжения является для усилителей мощности второстепенным параметром. Наиболее важными являются коэффициент усиления мощности, КПД, степень нелинейных искажений выходного сигнала. Как правило, коэффициент усиления напряжения выходных каскадов близок к единице. Усиление мощности достигается за счет усиления тока. Необходимость увеличения КПД обусловлена тем, что большая часть мощности источника питания потребляется выходными каскадами усилителя. Поэтому слишком большая мощность, рассеиваемая усилителем, может привести к перегреву транзисторов.
Существует несколько режимов работы усилителей, отличающихся положением рабочей точки на передаточной характеристике и обеспечивающих различные значения КПД. Различают три основных режима усилительных каскадов или классов усиления: А, В и С. Они отличаются коэффициентом полезного действия и уровнем нелинейных искажений.
Рассмотрим основные режимы работы усилителей на примере эмиттерного повторителя (рис. 4.4.1), который часто используют в качестве усилителя мощности. Во всех рассматриваемых случаях коллекторный переход смещен в обратном направлении. Режим усилителя зависит от того, как смещен эмиттерный переход в отсутствии входного сигнала.
В этом режиме эмиттерный переход смещен так, что схема всегда функционирует на линейном участке передаточной характеристики, а
транзистор никогда не переходит в режим насыщения. В схеме на рис. 4.4.1 напряжения
и
равны, и рабочая точка находится на линейном участке
передаточной характеристики (рис. 4.4.2).
Рис. 4.4.1
Рис. 4.4.2
Полный размах напряжения выходного сигнала не превышает напряжения питания
. Например, если
, то и амплитуда выходного напряжения не может превышать 10 В.
Если к тому же необходимо обеспечить минимальные искажения выходного сигнала, его размах ограничивают значениями, меньшими
.
Мощность, отдаваемая в нагрузку усилителем, работающим в режиме А
.
Здесь 
– амплитуда выходного напряжения. Мощность, отдаваемая
источником питания,
.
В последнем выражении учтено, что в схеме на рис. 4.4.1 используется расщепленный источник и
.
Коэффициент полезного действия равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности, отдаваемой источником питания:
.
Коэффициент полезного действия достигнет наибольшего значения, равного 25 %, когда амплитуда выходного напряжения максимальна,
т. е. 
. Поскольку для уменьшения нелинейных искажений амплитуду
выходных напряжений ограничивают значениями, меньшими 
,
КПД усилителей, работающих в режиме А, оказывается еще меньше. Если в нагрузке выделяется максимальная мощность (при равенстве
выходного сопротивления повторителя и сопротивления нагрузки), а размах выходного напряжения равен половине
, то КПД равен всего лишь 6.25 %.
Низкий КПД в режиме А определяется тем, что постоянная составляющая тока через транзистор не зависит от входного сигнала. Поэтому мощность, потребляемая от источника в этом режиме, постоянна. Более того, мощность, рассеиваемая транзистором, максимальна при отсутствии входного сигнала.
Поскольку коэффициент полезного действия усилителей, работающих в режиме А, невелик, их не используют в качестве усилителей мощности. Главное достоинство режима А состоит в малой величине искажений усиливаемого сигнала.
В этом режиме эмиттерный переход смещен так, что рабочая точка находится на границе области отсечки. Обратимся еще раз к схеме
эмиттерного повторителя на рис. 4.4.1. Примем, что напряжение 
.
Передаточная характеристика, соответствующая этому случаю, показана на рис. 4.4.3.
Если входной сигнал отсутствует, эмиттерный переход смещен в обратном направлении и транзистор находится в состоянии отсечки. За счет этого снижается мощность, потребляемая от источника питания.
Когда входное напряжение положительно, эмиттерный переход отпирается и транзистор переходит в активный режим. Выходное напряжение повторяет форму положительной полуволны выходного напряжения. Во время отрицательной полуволны входного напряжения эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор находится в состоянии отсечки и выходное напряжение равно нулю. Графики напряжений на входе и выходе повторителя, работающего в режиме В, показаны на рис. 4.4.4.
Рис. 4.4.3
Рис. 4.4.4
Режим В позволяет значительно увеличить КПД усилителя, поскольку при отсутствии входного сигнала ток транзистора равен нулю. Следовательно, равна нулю и мощность, потребляемая от источника. Однако форма выходного сигнала при этом сильно искажена.
Для того чтобы получить на выходе сигнал обеих полярностей, используют комплементарную схему, содержащую транзисторы n– p–n и p–n–p-типов (рис. 4.3.5). Она состоит по существу из двух эмиттерных повторителей, один из которых усиливает положительную, а другой – отрицательную полуволну входного сигнала. Эту схему часто называют двухтактным эмиттерным повторителем.
Рис. 4.4.5
При отсутствии входного сигнала оба транзистора находятся в состоянии отсечки, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны
нулю. Во время положительной полуволны входного напряжения открывается n–p–n-
транзистор VT1, а во время отрицательной – p–n–p-транзистор
VT2.
Коэффициент полезного действия двухтактного эмиттерного повторителя
. (4.4.2)
Здесь – амплитуда выходного напряжения.
Из (4.4.1) следует, что КПД схемы возрастает с увеличением амплитуды выходного напряжения и достигает своего максимального значения
при 
:
.
Таким образом, двухтактная схема обладает значительно большим КПД, чем обычный эмиттерный повторитель.
Напряжение на выходе двухтактной схемы отличается от выходного на величину падения напряжения на эмиттерном переходе. Следовательно,
, т. е. схема является повторителем напряжения. Коэффициент
усиления тока 
. Усиление мощности происходит за счет усиления
тока.
Пример 4.4.1.
Рассчитать двухтактный усилитель мощности, если мощность нагрузки
, а сопротивление нагрузки
. Для уменьшения нелинейных искажений напряжение источника
питания должно превышать амплитуду выходного напряжения на 5 В.
Решение. Поскольку мощность, выделяемая в нагрузке:
,
амплитуда выходного напряжения
.
Напряжение питания 
.
Амплитуда выходного тока
.
Мощность, потребляемая транзисторами от источников питания:
.
Максимальная мощность, рассеиваемая каждым транзистором:
.
Двухтактной схеме на рис. 4.4.5 свойственны значительные нелинейные искажения, называемые переходными. Они обусловлены
нелинейностью начального участка передаточной характеристики эмиттерного повторителя (рис. 4.4.6). В диапазоне изменения входного
напряжения 
оба транзистора находятся в режиме отсечки и
передаточная характеристика имеет горизонтальный излом.. Переходные искажения проявляются тем сильнее, чем меньше размах входного
напряжения.
Рис. 4.4.6
Для уменьшения переходных искажений используют промежуточный режим АВ. В этом режиме на базы транзисторов подаются небольшие напряжения смещения. Это позволяет устранить излом начального участка передаточной характеристики и уменьшить переходные искажения.
Обычно источником смещения служат диоды, стабилитроны или транзисторы в диодном включении. Один из вариантов схемы, работающей в режиме АВ, показан на рис. 4.4.7.
Рис. 4.4.7
Диоды, включенные между базами транзисторов, создают на эмиттерных переходах транзисторов дополнительное смещение. За счет этого
при 
транзисторы работают в активном режиме. Как только входное
напряжение становится положительным, транзистор VT2 переходит в режим отсечки. При отрицательном входном напряжении в
отсечке находится VT1. При 
по крайней мере один
из транзисторов находится в активном режиме. Таким образом, диоды существенно уменьшают переходные искажения и позволяют получить
передаточную характеристику, близкую к линейной. Часто в качестве диодов используют транзисторы с зашунтированными коллекторными
переходами.
Другая схема усилителя мощности, позволяющая уменьшить переходные искажения, показана на рис. 4.4.8. На входе включены эмиттерные повторители на транзисторах VT1 и VT2. Они создают необходимое напряжение смещения на эмиттерных переходах транзисторов VT3 и VT4. Кроме того, эмиттерные повторители обеспечивают высокое входное сопротивление схемы.
Резисторы 
и используются для задания эмиттерных токов VT1, VT2
и базовых токов выходных транзисторов. Если транзисторы VT1 – VT4 согласованы, то при 
и
их токи одинаковы. Резисторы 
и
являются цепями обратной связи соответственно для VT3 и VT4.
Рис. 4.4.8
Таким образом, цепь на рис. 4.4.8 является буферным усилителем, работающим в режиме АВ, и имеющим коэффициент усиления напряжения, равный единице.
В схемах усилителей мощности использовать модели n-p-n транзисторов Q2N3904 или Q2N2222 и модели p-n-p –транзисторов Q2N3907A и Q2N3906 из библиотеки EVAL.slb. Примеры схем можно найти в файлах W2_4_1, W2_4_2 в папке MsimEv_8\Labs.