9.1.3 Усилители мощности низкой частоты
Усилителем мощности называется усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания.
Обычно в усилителе мощности амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с предельно допустимыми значениями, а выходная мощность сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой прибором. В таком режиме, например, обычно работает выходной каскад усилителя звуковых частот в радиовещательных приемниках.
В отличие от усилителей напряжения и тока к усилителям мощности предъявляются требования получения большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия. Выполнение этих требований сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала. Простейший усилитель мощности низкой частоты строится по той же схеме, что и усилитель слабого сигнала. Например, обычный резистивный каскад на транзисторе с ОЭ также может быть использован и в качестве усилителя мощности.
Простой вывод основных соотношений для усилителя мощности основывается на использовании идеализированных характеристик транзистора. 
Активный элемент усилителя характеризуется предельно допустимыми значениями мощности, напряжения и тока в выходной цепи. Для транзистора с ОЭ это 
. Так как 
, то на семействе выходных характеристик транзистора можно отметить предельно допустимые режимы. На рис.6 показаны выходные характеристики транзистора с ОЭ, линия допустимой мощности 
, ограниченная допустимыми значениями тока и напряжения..
Область, ограниченная этими линиями (одинарная штриховка), позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают до величин: 
. На рис.6 область, ограниченная максимальными режимами, показана двойной штриховкой.
Для упрощения анализа усилителя мощности правомерно применение идеализации BAX транзистора в виде кусочно-ломаной аппроксимации.
В широкополосных усилителях мощности низкой частоты, использующих в каскаде один транзистор, используется для усиления только режим усиления класса “А” ( q = 180 0 ), позволяющий работать без нелинейных искажений сигнала. Напряжение питания Ек выбирается равным максимальному значению коллекторного напряжения, а сопротивление нагрузки Rк=Eк/iк,max. На рис.7 показаны осциллограммы напряжений и токов, действующих в схеме резистивного каскада.
Коэффициент полезного действия электронного усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.
Выходная полезная мощность в случае усиления гармонического сигнала равна:
,
где Uм,кэ, Iм,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Ек и постоянной составляющей тока Iк,o, протекающего в коллекторной цепи:
.
Таким образом, КПД равен:
.
Величина 
называется коэффициентом использования напряжения источника питания; величина 
отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Для получения высокого КПД следует увеличивать 
и . Максимальный КПД (100%) получается при 
.
Из рис.7 видно, что при максимальном использовании линейного участка ДПХ 
, следовательно, 
, и, таким образом, при выбранной идеализации в режиме класса “А” имеем
.
В реальных усилителях мощности линейный участок ДПХ ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный 
.
Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки; схема такого усилителя мощности показана на рис. 8.
В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением трансформатора для переменного тока. Линия нагрузки для постоянного тока определяется здесь соотношением: 
.
Так как 
, где n – коэффициент трансформации, то линия нагрузки в области допустимых значений идет почти вертикально (см рис.9). Выбираем рабочую точку на уровне ik,max/2 .
Для определения амплитуд тока и напряжения построим через точку А линию нагрузки по переменному току (ЛН
), угол наклона которой определяется сопротивлением Rк. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Ек, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания 
, и максимальный КПД при данной идеализации
.
Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Из-за широкополосности нагрузки в этом случае нельзя избавиться от высших гармонических составляющих тока и, следовательно, от нелинейных искажений формы выходного сигнала.
Одним из способов построения усилителей мощности низкой частоты с высоким КПД являются двухтактные схемы (один из вариантов показан на рис.10), в которых транзисторы работают с углом отсечки q = 90 0 в противофазе.
Так как выходное напряжение определяется разностью токов каждого транзистора, то в нагрузке будет выделяться практически гармоническое напряжение (при гармоническом сигнале на входе). Это проиллюстрировано графиками рис.11.
Хорошее симметрирование схемы позволяет исключить из выходного напряжения все четные гармоники тока. У реальных усилителей из-за нижнего нелинейного участка ДПХ приходится проводить дополнительные регулировки смещений транзисторов.
Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока определяются здесь как:
.
Для угла отсечки 90 о 
. Таким образом, максимальный КПД каждого плеча схемы равен
.
Важным свойством усилителей мощности низкой частоты является их широкополосность, требующая применения резистора или широкополосного трансформатора в коллекторной цепи. Это приводит к тому, что на выходе при усилении больших сигналов могут иметь место нелинейные искажения, обусловленные появлением высших гармонических составляющих сигнала. Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы всех гармоник, начиная со второй, к среднеквадратическому напряжению первой гармоники, когда на вход усилителя подается гармонический сигнал. Так как среднеквадратические значения пропорциональны амплитудам, коэффициент гармоник (или коэфициент нелинейных искажений — КНИ) равен:
.
Обычно коэффициент гармоник выражают в процентах и не допускают, чтобы он превышал 5-10%, причем при высококачественном усилении звуковых колебаний он не должен превышать 1 – 1,5 %.
Применяют и безтрансформаторные двухтактные схемы усилителей мощности низкой частоты. В этом случае должно быть использовано либо два источника питания, либо транзисторы разной проводимости . На рис.12 показаны примеры такого усилителя.
Главный недостаток схем бестрансформаторных усилителей заключается в трудности подбора двух транзисторов (особенно при использовании транзисторов разной полярности) с характеристиками, близкими на всем диапазоне значений выходного сигнала. Это приводит к значительному усложнению схемы. Многие усилители в микросхемном исполнении, в том числе и операционные, имеют достаточно сложные схемные реализации выходных каскадов.
© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Коэффициент — использование — напряжение
Таким образом, уменьшение коэффициента нелинейности развертки связано с уменьшением коэффициента использования напряжения источника питания . Существуют способы повышения линейности, или, как говорят, линеаризации развертки, которые позволяют получить относительно большую амплитуду напряжения развертки при высокой линейности. [17]
Выражение (12.4) показывает, что в данном случае коэффициент нелинейности у равен коэффициенту использования напряжения источника питания UmIEK . [18]
Недостаток этого варианта триггера заключается в том, что из-за эмнттерного сопротивления уменьшается коэффициент использования напряжения источника коллекторного питания . [20]
Это значение п следует рассматривать, однако, лишь как етриближенное, так как не учитывались ни коэффициенты использования напряжения и тока в транзисторе, ни потери в обмотках трансформатора и цепи обратной связи. [21]
Переход от класса усиления А к классу В и затем к классу С повышает не только коэффициент полезного использования тока %, но и коэффициент использования напряжения , так как при одном и том же напряжении питания повышается амплитуда напряжения у выходного сигнала. [22]
Первый из них, имея эмиттерную цепь автоматического смещения, более стабилен в широком диапазоне температур, зато уступает второму ( рис. 18.3 6) по коэффициенту использования напряжения источника питания . [23]
Формула ( 4 35а) показывает, что по отношению к мощности jQV0, расходуемой источником постоянного напряжения на ускорение электронного потока, средняя мощность, затрачиваемая переменным напряжением, является величиной второго порядка малости относительно коэффициента использования напряжения . [24]
В случае повышения уровня сигнала ыС2 напряжение на выходе РИП увеличивается, точка покоя оказывается в точке; В, а максимальный уровень сигнала — в точке D. Таким образом, коэффициент использования напряжения остается практически постоянным: Um IU fsS Um2 / U2, хотя уровень положительной полуволны сигнала увеличивается. [25]
Даже при приближенной оценке полученных графиков легко установить, что амплитуда коллекторного тока / кт всегда меньше тока покоя / к. Из графиков следует, что коэффициенты использования напряжения и тока — будут меньше единицы. [27]
Для получения малого коэффициента нелинейности в такой схеме используют лишь начальный участок экспоненты, линейность которого достаточно высока. Поэтому отношение Um к Ек, называемое коэффициентом использования напряжения питания , оказывается малым, что является основным недостатком схемы генератора с простой интегрирующей цепью. [28]
Симметричный триггер с анодно-сеточными связями и автоматическим смещением ( рис. 10.3) отличается от предыдущего тем, что отрицательное смещение на сетке закрытой лампы в нем создается на катодном резисторе RK за счет тока открытой лампы. Стабильность работы этого триггера при возможных изменениях напряжения питаю щего источника получается несколько выше, но коэффициент использования напряжения питающего источника на 10 — 15 % меньше. [29]
Поскольку это время невелико, необходимость в применении больших значений Сэ отсутствует. Обычно С имеет порядок сотен или тысячи пикофарад. Автоматическое смещение уменьшает коэффициент использования напряжения / Си-В данной схеме амплитуда выходных импульсов не может быть больше Е — U3; на создание напряжения смещения расходуется часть напряжения источника питания. [30]
