Материал: Расчет электронного усилителя мощности низких частот. методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Электроника и схемотехника». Москалева Е.А

ствии сигнала на входе она равна нулю. Усилители такого класса редко встречаются среди современных усилителей.

Усилитель класса AB. Наиболее распространенный вид усилителей. Большинство Hi-Fi усилителей принадлежат именно этому промежуточному классу. В этом классе объединены качества усилителей А и В класса, т.е. высокий КПД класса B и низкий уровень нелинейных искажений класса А. Здесь используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток (так называемый «ток покоя»), иногда значительный. И здесь возникает необходимость в регулировке и стабилизации этого тока таким образом, чтобы транзисторы работали в одинаковых режимах, не перегружая друг друга. Неправильная установка тока покоя приведет к перегреву транзисторов и выходу их из строя.

Таким образом, для выходного каскада существуют два очень важных параметра (и особенно для класса АВ): ток покоя и напряжение покоя.

Ток покоя – это коллекторный ток, проходящий через транзисторы оконечного (выходного) каскада при отсутствии сигнала.

Если бы транзисторы имели идеальную характеристику (чего на самом деле не бывает), то ток покоя можно было бы считать равным нулю. Реально же ток коллектора может увеличиваться как из-за разброса характеристик транзисторов, так и от их температуры. Более того, повышение температуры может привести к лавинообразному перегреву и тепловому пробою транзистора. Дело в том, что при увеличении температуры ток коллектора только увеличивается, а следовательно возрастает и нагрев транзистора.

Напряжение покоя – постоянное напряжение в точке соединения транзисторов (выход на нагрузку). Оно должно быть равно «0» при двухполярном питании выходного каскада или половине напряжения питания при однополярном пита-

24

нии. Другими словами: оба транзистора выходного каскада должны иметь одинаковое базовое смещение, то есть открыты равномерно, компенсируя друг друга.

Класс С. Усилители этого класса имеют КПД равный почти 75%, что делает их очень эффективными, но с увеличением КПД резко увеличиваются искажения. Эти усилители не подходят для усиления звука в Hi-Fi аудиосистемах.

Класс D. Это самый современный класс усилителей, применяющих цифровую обработку сигнала. Усилители D класса очень компактные.

Класс усилителя, транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим работы выбирают в основном из условий обеспечения заданных мощности и КПД при допустимых линейных и частотных искажениях. При выборе предварительной схемы усилителя необходимо принимать во внимание то, что оконечные каскады могут быть собраны по однотактной и двухтактной схеме.

Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор и получить достаточно малый коэффициент гармоник 2–7%, однако она работает только в классе А и теоретически не может дать КПД выше 50%. Для обеспечения наибольшего значения КПД усилительные элементы должны работать в классах AB, B или D. Двухтактная схема, работающая в классе В, теоретически может обеспечить КПД до 78%, при этом минимальный коэффициент гармоник равен 6–10%. Двухтактный каскад в режиме АВ обеспечивает меньшие нелинейные искажения, чем в классе В, но имеет меньший КПД. Управляющие устройства усилителя класса D существенно сложнее предварительных каскадов линейного усилителя. Кроме того, в заданиях по курсовому проекту мощность, отдаваемая в нагрузку, сравнительно невелика.

В качестве основного варианта в техническом проекте следует рассматривать режим работы усилителя класса AB. При этом усилитель мощности необходимо строить по двухтактной схеме, позволяющей избежать искажения формы входного сигнала при сохранении высокого значения КПД.

25

Для обеспечения малых линейных и частотных искажений транзисторы в плечах двухтактного усилителя необходимо подбирать так, чтобы они составляли комплементарные пары или, в крайнем случае, их граничные частоты и коэффициенты усиления отличались не более чем на 20%.

Воконечных каскадах транзисторы могут быть включены любым из трех известных способов (ОБ, ОЭ, ОК).

Схема с ОБ позволяет получить наименьшие нелинейные искажения, но сравнительно малое усиление по мощности. Параметры каскадов в этом случае мало зависят от температуры окружающей среды и замены транзисторов, поэтому в двухтактных схемах при включении транзисторов с общей базой коэффициенты усиления транзисторов могут отличаться до 30%.

Схема с ОЭ обеспечивает наибольшее усиление, но зато вносит сравнительно большие нелинейные искажения.

Схема с ОК обеспечивает примерно такое же усиление, как схема с ОБ, и несколько меньшие нелинейные искажения, чем схема с ОЭ. Входное сопротивление каскада оказывается самым высоким. Параметры каскада в этом случае зависят от изменения температуры окружающей среды и замены транзисторов.

Вразрабатываемом УНЧ следует использовать гальванические межкаскадные связи.

Вкачестве предварительного суммирующего усилителя целесообразно применять интегральные операционные усилители, обладающие большим коэффициентом усиления, значительным входным и относительно малым выходным сопротивлениями, а также обеспечивающих легкость суммирования сигналов. Поскольку операционные усилители способны отдавать в нагрузку достаточно небольшой ток, как правило, существенно меньший единиц ампера и напряжение 10–15 В, то усилитель мощности должен обеспечить согласование операционного усилителя с нагрузкой.

26

Число каскадов усиления зависит от тока нагрузки, определенного техническим заданием, и выбранным типом операционного усилителя.

Ориентировочно требуемое число каскадов усилителя мощности можно оценить по коэффициенту усиления УНЧ. Например, как было показано выше,

Kобщ дБ = 20lg K1 K2…Kп = 20lg K1 +

+20lg K2 + … +20lg Kп = K1 дБ + …+ Kп дБ,

иесли каскады с одинаковым усилением, то

где K1 – коэффициент усиления одного каскада; либо по формуле [17]:

где Ki к – коэффициент передачи тока одного транзисторного каскада. Обычно для расчета принимают Ki к = 10…30.

Как правило, микросхемы достаточно маломощны и способны отдавать в нагрузку ток в пределах 5–10 мА, поэтому проектируемый усилитель мощности должен быть двухтрех каскадным.

27

2.4. Пример анализа технического задания

Входные данные: Pн = 12 Вт; f = (10 – 20) 103; Uп = 32 В; Rвх = 50 кОм; Mн = Mв = √2; η = 50%. Uвх = 40 мВ

Рассчитаем коэффициент усиления УНЧ. Входная мощность Pвх:

Требуемый коэффициент усиления по мощности УНЧ:

Потребляемая мощность – 24 Вт.

Из анализа технического задания следует, что на выходе УНЧ должен стоять мощный выходной каскад. В качестве выходного каскада целесообразно выбрать двухтактный бестрансформаторный усилительный каскад, работающий в режиме В. Данный режим обеспечивает каскаду хорошую экономичность благодаря высокому КПД. Отсутствие трансформатора обеспечивает низкие нелинейные искажения. Двухтактный бестрансформаторный каскад, выполненный на мощных транзисторах может обеспечить усиление до 30 дБ.

В качестве входного каскада выберем инвертирующий усилитель на интегральном операционном усилителе. Данный каскад может обеспечить усиление до 60 и более децибел в зависимости от типа применяемой микросхемы. К тому же инвертирующий каскад на ОУ позволяет изменять входное сопротивление всего усилителя в широком диапазоне.

Благодаря хорошим усилительным возможностям входного и выходного каскадов нет необходимости в применении дополнительных промежуточных усилительных каскадов. Для

28