В Бессонов - Радиоэлектроника для начинающих (и не только)

В любом приемнике, магнитофоне, телевизоре и в других бытовых радиоприборах имеются усилители мощности. Мощным каскадом принято считать каскад, в котором транзисторы отдают в нагрузку мощность, близкую к максимально возможной. Основными требованиями, предъявляемыми к мощным выходным каскадам, являются получение необходимой мощности в нагрузке и максимальный КПД при допустимых искажениях сигнала. Требование максимального КПД имеет наибольшее значение для усилителей с питанием от автономных источников. Максимальное усиление мощности — второстепенное требование, поскольку необходимое усиление может быть получено в других каскадах. Чем выше КПД каскада, тем менее мощный транзистор нужен для получения требуемой мощности. Максимальный КПД достигается при оптимальной нагрузке. Однако сопротивление нагрузки, как правило, бывает задано. Если оно значительно отличается от оптимального, то для получения высокого КПД нагрузку включают через согласующий трансформатор. Использование согласующего трансформатора на входе мощного выходного каскада позволяет получить максимальный коэффициент усиления мощности предвыходным каскадом и минимальный уровень искажений при заданной мощности в нагрузке усилителя. Применение согласующих трансформаторов в малогабаритных усилителях приводит к снижению КПД, поскольку малогабаритные недорогие трансформаторы имеют сравнительно малый КПД.

Усилители мощности (выходные каскады) бывают однотактные и двухтактные. Двухтактные усилители бывают трансформаторные и бестрансформаторные. Однотактные выходные каскады применяются иногда в усилителях с малой выходной мощностью, поскольку их КПД не превышает 40 %.

Трансформаторные двухтактные выходные каскады в основном используются в режиме класса АВ, при котором КПД превышает 50 %. Бестрансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном рабочих частот, чем трансформаторные, меньшими габаритными размерами и массой. Они могут иметь непосредственную связь с предыдущим каскадом, что позволяет охватывать их цепями ООС по постоянному току, решая таким образом задачу стабилизации режима работы.

В двухкаскадных усилителях на биполярных транзисторах (БТ) используются различные комбинации включения транзисторов.

Если выходное сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки усилителя примерно равны и составляют единицы или десятки килоом, следует применять каскады с ОЭ; при малых сопротивлениях (менее 100 Ом) — первый каскад с ОЭ или ОБ и второй каскад с ОК, а при больших сопротивлениях (более 100 кОм) — первый каскад с ОК и второй с ОЭ. Если сопротивление нагрузки усилителя значительно превышает сопротивление источника сигнала, следует использовать оба каскада с ОЭ. При сопротивлении нагрузки усилителя меньшем, чем выходное сопротивление источника сигнала, рекомендуется использовать оба каскада с ОЭ или первый каскад с ОЭ, а второй — с ОК. Для многокаскадных усилителей приведенные выше рекомендации относятся к первому и последнему каскадам. Промежуточные каскады выполняются с ОЭ. Гибридные усилители, содержащие полевые транзисторы (ПТ) и БТ, имеют существенные преимущества по сравнению с усилителями, в которых используются транзисторы какого-либо одного вида. Например, в усилителях, в которых чередуются каскады на ПТ и БТ, достигается значительно больший коэффициент усиления мощности, поскольку ПТ, включенные с ОИ или ОС, позволяют получить очень большой коэффициент усиления тока, а БТ — большое усиление напряжения (при нагрузке высоким входным сопротивлением ПТ). Входное сопротивление таких усилителей легко сделать высоким, а выходное — низким.

Правила монтажа усилителей мощности.Монтаж усилителя мощности должен быть тщательно продуман. При этом следует обращать внимание на взаимное расположение проводников, соединяющих усилитель мощности с источником сигнала и источником питания. Паразитная индуктивная связь между проводами питания и входными цепями может привести к наводке во входной цепи паразитной э.д.с., частотный спектр которой при работе выходного каскада в режиме класса АВ состоит из гармоник усиливаемого сигнала. Для устранения паразитной связи необходимо разнести провода питания и входной цепи. В питающие цепи усилителя мощности нужно включать развязывающие RC-фильтры, размещая их непосредственно на монтажной плате усилителя. Во избежание помех, проникающих на вход усилителя по общему проводу, нужно увеличивать сечение шин общего провода и соединять все идущие к ним провода в одной точке. Наиболее эффективным способом защиты является гальваническая развязка общего провода входного каскада от шины питания, что возможно в усилителе мощности с дифференциальным входным каскадом.

С общим проводом источника сигнала соединены лишь выводы резисторов, непосредственно подключенные к инвертирующему и неинвертирующему входам. Все остальные проводники, идущие к общему проводу, подключены к мощной шине источника питания. Обе «корпусные» шины соединяют резистором, его сопротивление должно быть не слишком малым, чтобы помехи от мощной шины не проникали на вход усилителя, но и не слишком большим, чтобы не было заметного влияния на глубину ООС. Обычно сопротивление резистора выбирают в пределах от единиц до десятков ом.

Обратите внимание, что обычно общая клемма источника питания соединяется с шасси (корпусом) прибора (устройства).

Рассмотрим работу двухтактного усилителя мощности на конкретном примере, на примере УЗЧ для радиоприемника, который будет изготовлен на практических занятиях в этой главе. Кроме того, работу двухтактного усилителя мощности можно рассмотреть по схеме УЗЧ к электронной сирене. На примере этих же схем рассмотрим действие ООС по постоянному и переменному току, а на примере двустороннего телефона, который предлагается для изготовления при изучении этой темы, рассмотрим действие ПОС.

УЗЧ для радиоприемника (рис. 6.1) содержит три каскада усиления: первый каскад — дифференциальный усилитель, второй — каскад усиления с общим эмиттером, третий — двухтактный усилитель мощности на комплиментарных транзисторах, который работает в режиме В.

Изучение этого усилителя лучше всего начать со второго каскада, который имеет некоторые особенности. Во-первых, хотя этот каскад выполнен по схеме с ОЭ, но нагрузка у него заземлена, и, во-вторых, в качестве нагрузки используется источник тока на ПТ. Транзисторный каскад на VT6 здесь работает как управляемый источник тока, который имеет малое сопротивление постоянному току, но большое дифференциальное сопротивление, т. е. сопротивление переменному току. Его внутреннее (дифференциальное) сопротивление можно определить по формуле: