Принципы построения усилителей мощности.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒

Задачей усилителя мощности (УМ) является формирование в резистивной нагрузке R_H по возможности большей сигнальной мощности в условиях, когда уровень нелинейных искажений не превышает заданного значения. Обычно возможность получения предельного значения сигнальной мощности Р_{вых тах} рассматривается применительно к колебаниям, симметричным по отклонениям, например сигналам синусоидальной формы. Такие сигналы имеют одинаковые предельные отклонения как в область положительных, так и в область отрицательных значений.

Уровень предельно допустимых нелинейных искажений характеризуют с помощью номинального значения к_{г. ном} коэффициента гармоник к_г. Максимальное значение выходной мощности, при котором уровень нелинейных искажений достигает номинального значения к_г _ном, называется номинальной выходной мощностью Р_ном. Попытка сформировать на выходе данного УМ мощность большую, чем Р_ном, приводит к появлению нелинейных искажений с коэффициентом гармоник большим, чем к_гном.

К каскадам усиления мощности предъявляются повышенные требования по обеспечению максимально возможного КПД. Связано это не только с необходимостью снижения энергопотребления, но и с тем, что повышение КПД минимизирует мощность Р_t выделяемую в УП в виде тепла, так как согласно соотношению Рt= Р_с(1- η) при приближении КПД η к единичному значению выделение этой тепловой мощности при данной выходной сигнальной мощности Рc становится пренебрежимо малым. Снижение мощности P_tt в свою очередь, позволят уменьшить габариты теплоотводящих элементов и соответственно габаритные размеры усилителя в целом, обеспечивает возможность формирования большей выходной мощности с помощью транзистора, имеющего меньшее значение предельно допустимой мощности Рtmax.

К основным проблемам, решаемым разработчиком в ходе проектирования схемного построения УМ, следует отнести обеспечение условий, при которых с помощью данного УП можно создать максимально возможную мгновенную сигнальную мощность Рвыхmax.В качестве главного фактора, препятствующего этому, выступает ограниченная протяженность усилительной области УП, связанная с недопустимостью возникновения выходных напряжений и токов в транзисторе больше допустимых значений Iвыхmax и Uвыхmax. Поэтому усилительный прибор может сформировать в цепи нагрузки R_H лишь ограниченные предельные сигнальные изменения Δ Iвыхmax и ΔUвыхmax (рис. 8.1) тока и напряжения, где Δ Iвыхmax=Iвыхmax-Iнач; ΔUвыхmax= Uвыхmax-Uнач

Рассмотрим условия, при которых УП, работающий в линейном режиме, способен создать во внешней резистивной нагрузке Rн наибольшую мгновенную сигнальную мощность, под которой будем понимать

Р_вых = ΔIвыхΔUвых. Воспользуемся геометрической интерпретацией последнего соотношения, представив правую часть его как удвоенное значение площади S_Δ прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является линия нагрузочной характеристики, а в роли катетов выступают ток ΔIвых и напряжение ΔUвых. Этот треугольник называется треугольником мощности.

Чем больше площадь треугольника мощности, тем большую мощность Р_вых способен отдать транзистор во внешнюю цепь. С точки зрения неискаженного воспроизведения сигнала в условиях допустимого уровня изменений токов и напряжений в транзисторе протяженность и положение отрезков ΔIвых и ΔUвых.должно приходиться на усилительную область выходных характеристик УП.

Из всего сказанного следует, что для того чтобы определить условия, при которых транзистор обеспечивает наибольшее значение мощности Р_вых без выхода РТ за пределы усилительной области ВАХ, необходимо вписать в эту область треугольник мощности с наибольшей площадью, например, как это показано на рис. 8.1 для случая, соответствующего нагрузочной характеристике 1.

Очевидно, что мгновенное значение выходной сигнальной мощности на резистивной нагрузке не может превзойти величины, определяемой соотношением:

Рвыхmах= ΔIвыхΔUвых

при этом значения ΔIвых и ΔUвых связаны соотношением ΔIвых=ΔUвых/Rн opt

где Rн opt — оптимальное значение сопротивления Rн соответствующее нагрузочной характеристике 1 на рис. 8.1.

При значениях сопротивления больших Rн opt (нагрузочная характеристика 2) усилительный прибор недоиспользуется по току, при меньших (нагрузочная характеристика 3) — по напряжению.

Следует отметить, что условие получения максимально возможного значения мощности Р_выхтах обычно не совпадает с условием согласования сопротивления нагрузки R_H с выходным сопротивление источника сигнала, т.е. с условием R_H = R_вых где R_вых — выходное сопротивление усилителя мощности. Это условие согласования обеспечивает максимально возможное значение выходной мощности только при идеальных источниках тока или напряжения, т.е. источниках, не имеющих ограничений, как по возможным значениям выходного тока, так и выходного напряжения.

В ряде случаев в качестве фактора, ограничивающего мощность Рвыхmах выступает предельно допустимое значение средней тепловой мощности Рtmax. В этих случаях рекомендуется значение Rн opt выбирать таким образом, чтобы линия нагрузочной характеристики являлась касательной к линии, ограничивающей усилительную область по параметру Рtmax Такой принцип выбора значения Rн opt гарантирует отсутствие недопустимого теплового режима работы УП при любой форме усиливаемого сигнала и длительности его воздействия.

Часто фактическое сопротивление нагрузки R_H отличается от оптимального значения Rн opt В этом случае для получения максимальной сигнальной мощности в нагрузке Rн ее подключают к выходной цепи УП через согласующий трансформатор. требуемый коэффициент трансформации N может быть вычислен с помощью формулы

N =√ Rн opt/(Rнη где N — коэффициент трансформации, N – w1/w2. w1, — число витков обмотки трансформатора, включенной в выходную цепь УП; w2— число витков обмотки трансформатора, к которой подключена нагрузка Rн; ηтр — коэффициент полезного действия трансформатора, учитывающий потери сигнальной мощности в нем.

Обычно значения η лежат в пределах от 0,8 до 0,95, при этом меньшие значения η соответствуют трансформаторным УМ с пониженной выходной мощностью, не превышающей 1 Вт.

Возможность получения наибольшего значения сигнальной мощности, в первую очередь, связана с выбором тока покоя, при котором УП способен обеспечить наибольший размах сигнальных изменений по току ΔIвых и напряжению ΔUвых при допустимом уроне нелинейных искажений. В ходе проектирования в качестве ключевой проблемы выступает проблема выбора режима работы УП. При этом также учитывают, что усилитель может иметь как однотактное, так и двухтактное построение.

Однотактные каскады:

При усилении сигналов знакопеременного характера, например синусоидального, схемное построение усилителя должно обеспечить возможность формирования на его выходе как положительных, так и отрицательных мгновенных значений сигнального напряжения. Это достигается за счет использование режима А работы УП. При этом режиме работы возможны как понижение, так и повышение падения напряжения на сопротивлении нагрузки за счет соответствующего повышения или понижения тока Iвых по сравнению с исходным его значением Iвых0. При симметричном знакопеременном сигнале (например, синусоидальном) наибольшему значению выходной сигнальной мощности Рвыхmax соответствует положение ИРТ в середине линейной части СПХ (см. рис. 1.13), т.е. значение тока покоя

Следует отметить, что использование режима А в усилителе мощности не может обеспечить возможность получения в УМ высокого КПД, особенно при усилении сигналов с большим динамическим диапазоном, например речевых и музыкальных программ. К предельно достижимому значению КПД в режиме А можно приблизиться только при формировании предельных значений выходной мощности в условиях работы с сигналами, имеющими невысокое значение пикфактора, например синусоидальными. Данное обстоятельство иллюстрирует рис. 8.2, на котором отображена зависимость КПД η от коэффициента использования транзистора по току αi= Iвыхm/ Iвых0, где Iвыхm— амплитуда сигнального тока в нагрузке Rн; Iвых0 — ток покоя в выходной цепи транзистора.' При трансформаторном подключении нагрузки к транзистору (см. рис. 2.6, а) и синусоидальном сигнале η=α²/2. При режиме А предельное значение параметра α, приближается к единице, но не может превзойти это значение. Поэтому в режиме А предельное значение параметра η_А не превосходит 50 %. Следует отметить, что к этому пределу значения η_А можно приблизиться только в условиях формирования сигналов предельной интенсивности, соответствующих значениям α= 1. В подавляющем большинстве случаев УМ работает с сигналами, у которых среднее значение α, существенно меньше единицы. Вследствие этого среднее значение КПД оказывается на порядок меньше предельного значения 50%, особенно при работе с сигналами, имеющими большое значение пикфактора, например при усилении аудиосигналов.

С точки зрения схемного построения однотактные схемы ничем не отличаются от рассмотренных ранее схемных построений. В них может быть применено как непосредственное включение нагрузки в выходную цепь УП (см. рис. 1.12 и 2.5, а), так и ее подключение через разделительный конденсатор (см. рис. 2.5, б) или с помощью трансформатора (см. рис. 2.6, а).

Следует также отметить, что при режиме А одинаковые по значению входные сигнальные отклонения от ИРТ в «+» и «-» создают неодинаковые сигнальные изменения тока на выходе. Обусловлено это тем, что СПХ (см. рис. 1.13) имеет монотонно изменяющийся характер (график СПХ не является графиком с центральной симметрией). При таком характере СПХ наблюдается повышенный уровень нелинейных искажений, обусловленных высоким уровнем нечетных гармоник. В результате в усилителе мощности с помощью данного транзистора оказывается затруднительным создание заданного уровня неискаженной сигнальной мощности.

Следует также отметить, что при асимметричном характере сигнальной СПХ возникает эффект «сползания» ИРТ, обусловленный появлением дополнительной постоянной составляющей как результата нелинейного преобразования усиливаемого сигнала электронной цепью с нелинейной передаточной характеристикой. Вследствие этого положение ИРТ оказывается зависимым от уровня сигнала в предшествующие моменты времени, а усиление сигнала сопровождается дополнительным переходным процессом как реакцией усилителя переменных сигналов на образование дополнительной постоянной составляющей. Поэтому значение сигнала на выходе усилителя определяется не только текущим его значением на входе, но и свойствами сигнала в предшествующие моменты времени. Проявление указанного эффекта можно назвать эффектом последействия, при проявлении которого текущее значение сигнала на выходе определяется не только его значением на входе в данный момент, но и характером его изменений в предшествующие моменты времени.

Эффект указанного последействия в меньшей степени проявляется в трактах типа УПТ, а также в трактах, построенных по двухтактному принципу организации процесса усиления.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных