Усилители мощности выпол. по мостовой схеме

Содержание

Содержание
Введение
Назначение и применение усилителей
Параметры и характеристики усилителей
Классификация усилителей
Методы построения и реализация усилителей мощности
Заключение
Список литературы

Усилители мощности выпол. по мостовой схеме

Полоса пропускания усилителя – полоса частот, внутри которой коэффициент усиления изменяется по определенному закону с заданной степенью точности. Например, для усилителя звуковой частоты он должен быть постоянным в полосе частот 16 Гц – 20 кГц. Полоса пропускания усилителей для записи, передачи их воспроизведения звука, зависит от класса качества аппаратуры. Существуют четыре класса качества каналов: III, II, I и высший (соответствует международным нормам для Hi-Fi). Полоса пропускания таких устройств 30 Гц – 15 кГц при неравномерности ±2 дБ. Полоса пропускания телевизионных усилителей 50 Гц – 6 МГц. У широкополосных осциллографов нижняя граница колеблется от 0 до 20 Гц, а верхняя достигает 60 МГц. Полоса пропускания усилителей для магистральной связи зависит от числа телефонных и телевизионных каналов. Например, система К-10800, рассчитанная на 10800 телефонных каналов или несколько телевизионных каналов, имеет полосу пропускания 4 МГц – 60 МГц.
Наиболее полную информацию о нелинейных свойствах усилителя можно получить с помощью сквозной динамической характеристики. Она представляет собой зависимость выходной величины (тока или напряжения) от входной при гармоническом характере ее изменения. Вид сквозной динамической характеристики определяется тем, изменяется или нет фаза усиливаемого сигнала, а также тем, насколько усилитель близок к линейной системе. Например, у линейного усилителя при отсутствии фазового сдвига эта характеристика представляет собой отрезок прямой, проходящей через начало координат. Но это верно только для идеального усилителя. Для реального же устройства линейный участок характеристики ограничен и при удалении от начала координат зависимость становится нелинейной.
Амплитудная характеристика выражает зависимость амплитуды первой гармоники выходной величины от амплитуды гармонической входной величины (рис. 1). Остаточный уровень выходной величины объясняется существованием внутренних помех (фона). Отклонение характеристики от
Рисунок 1. Амплитудная характеристика
прямой обусловлено влиянием нелинейных свойств усилителя.
В общем случае характеристики реального и идеального усилителей не совпадают, вследствие чего возникают изменения усиливаемого сигнала – искажения. Линейные искажения возникают из-за присутствия в конструкции усилителя реактивных элементов и в чистом виде появляются при усилении слабых сигналов. Их можно разбить на три вида: частотные, фазовые и переходные.
Частотные искажения появляются при отклонении реальной АЧХ от идеальной, заданной для полосы пропускания. За меру частотных искажений обычно принимают нормированные значения коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания. Данный вид искажений вызывает изменение формы кривой сигнала. В случае усилителей звуковой частоты они проявляются как некоторое изменение тембра, для телевизионных усилителей – ухудшение четкости изображения, для измерительных усилителей – появление частотных ошибок.
Фазовые искажения появляются при несовпадении реальной и идеальной ФЧХ в полосе пропускания. Они приводят к изменению формы кривой сигнала, влияют на точность измерения пиковых значений для измерительных усилителей. Переходные искажения же связаны с переходными процессами, возникающими в усилителе.
Нелинейные искажения возникают в усилителе вследствие нелинейности его сквозной динамической характеристики. Уровень таких искажений оценивают по коэффициенту гармоник – отношение среднеквадратической суммы напряжения или тока высших гармоник сигнала, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению или току основной частоты.
При прохождении сигнала через нелинейный усилительный тракт появляются составляющие с частотами, кратными основной (гармоники), а в случае нескольких сигналов - комбинационные составляющие на частотах, кратных сумме или разности составляющих частот и их гармоник. Их характеризует коэффициент нелинейных (гармонических) искажений и коэффициент интермодуляционных искажений. Эти параметры показывают мощность продуктов искажений относительно мощности основного сигнала в процентах.
Теперь рассмотрим выходные и входные параметры усилителя
Номинальная или непрерывная выходная мощность – выходная мощность усилителя при работе на номинальную нагрузку с определенным коэффициентом нелинейных искажений (от 0.1% до 1% в зависимости от принятого стандарта) на некоторой частоте. Измеряется на синусоидальном сигнале на активной нагрузке. Кроме того, усилитель должен без проблем выдерживать указанную мощность в течение длительного периода (в частности, не перегреваться).
Максимальная выходная мощность – выходная мощность усилителя при работе на номинальную нагрузку с повышенным коэффициентом нелинейных искажений (обычно 10%) на некоторой частоте. В зависимости от конструкции выходного каскада усилителя может превышать номинальную в 1,5 - 2,5 раза.
Пиковая выходная мощность – мощность, измеренная на импульсном сигнале на комплексной нагрузке. Понятие, характеризующее способность усилителя без искажений передавать реальные звуковые сигналы. Большая часть этой мощности имеет реактивный характер.
Сопротивление нагрузки также относится к выходным параметрам усилителя. Например, для звуковоспроизводящего устройства нагрузкой является сопротивление акустической системы или громкоговорителя, равное 8 Ом, реже 4 или 16 Ом. Для усилителей большой мощности нормируется не сопротивление нагрузки, а номинальное выходное напряжение, что позволяет рассчитать необходимую нагрузку. Широкополосные усилители работают на нагрузку, подключаемую через коаксиальный кабель, с которым она согласована, поэтому в данном случае сопротивление нагрузки равно характеристическому сопротивлению кабеля 75 Ом.
Выходное сопротивление характеризует способность усилителя одинаково хорошо работать на системы, как с высоким, так и с низким импедансом.
Коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. Например, для усилителей звуковой частоты определяет эффективность электрического демпфирования резонанса подвижной системы низкочастотных динамиков и с этой точки зрения должен быть не менее 20-30. С другой стороны, для отдельных полосовых усилителей средних и высоких частот снижение коэффициента демпфирования значительно снижает уровень интермодуляционных искажений в динамиках. Эта характеристика позволяет косвенно оценить способность усилителя отдавать в нагрузку большой ток.
Чувствительность по входу – напряжение на входе, при котором напряжение на выходе усилителя будет равно 1 В. Сигнал на выходе источника должен быть не меньше параметра чувствительности. В противном случае сигнал на выходе предусилителя будет иметь значительный шум или будет недостаточен для "раскачки" усилителя мощности.
Коэффициент полезного действия (КПД) показывает эффективность работы усилителя, то есть какая часть потребляемой каскадом мощности передается в нагрузку. Мощность рассеяния - это мощность потерь в усилителе, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Величина мощности рассеяния и КПД зависят от класса работы усилителя и уровня сигнала.
Также входными параметрами являются ЭДС источника сигнала, его выходное сопротивление входное сопротивление усилителя.
Классификация усилителей
Теперь скажем несколько слов о классификации усилителей мощности. Усилитель должен сочетать высокую выходную мощность с малыми искажениями и высоким КПД. К сожалению, при повышении КПД обычно увеличиваются искажения сигнала. Выходные каскады транзисторных усилителей мощности выполняются исключительно по двухтактной схеме на полевых или биполярных транзисторах. Полевые транзисторы используются при высоких напряжениях питания и сами по себе вносят малые искажения в сигнал, но КПД усилителя несколько ниже, чем при использовании биполярных транзисторов, но у последних искажения больше1.
Существует три основных режима работы усилительного каскада – A, B, AB, соответственно которым их классифицируют. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками.
В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка ВАХ транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала - и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.
В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов - каждый из них усиливает свою "половинку" сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток, перечеркивающий все достоинства – при возбуждающих сигналах, близких к отсечке коллекторного тока транзисторов, возникают значительные переключательные искажения, с которыми не справляется никакая отрицательная обратная связь.
Режим AB – компромисс между первыми двумя вариантами. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка ВАХ транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад фактически работает в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает некоторый ток покоя, иногда весьма значительный. КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Таким образом, термостабильность – средняя.
Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для всех усилителей. При больших уровнях сигнала начинается ограничение сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Поэтому помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся. Искажения малого сигнала максимальны у каскадов в режиме B.
Плата за малые искажения класса A весьма высока. В среднем три четверти потребляемой мощности превращается в тепло и рассеивается радиаторами. Выход был найден достаточно неожиданный - совместить два усилителя в одном. Так в начале 80-х появились усилители класса A+. По коэффициенту искажений они приближаются к усилителям класса A, а по экономичности - к AB. Цена такого достижения немалая - усилитель стал практически вдвое сложнее (и существенно дороже).
Принцип работы усилителей класса A+ заключается в использовании управляемого источника питания. Выходной каскад класса A работает от "плавающего" (не связанного с "землей") источника низкого напряжения, поэтому тепловые потери в этом каскаде невелики. Средняя точка "плавающего" источника питания управляется отдельным мощным усилителем класса B, питающемся от "нормального" источника достаточно высокого напряжения. За счет совместного использования двух усилителей достигается и качество, и экономичность. Коэффициент гармоник не превышает обычно 0,003%.
Поскольку основные искажения в усилителях классов AB и B возникают в моменты запирания-отпирания транзисторов (коммутационные искажения), существует и более простое решение - нужно запретить транзисторам запираться. Этим занимается специальная схема. Так появились усилители класса SuperA. По характеристикам они близки к A+, но конструкция существенно проще.
Битва за КПД привела к рождению усилителей с коммутируемым выходным каскадом и управляемым источником питания. Самый простой вариант – усилитель класса G. В нем используется сдвоенный выходной каскад в режиме AB или B и два источника питания разного напряжения. При малой мощности работает только малосигнальная половина выходного каскада с низким напряжением питания, на пиках сигнала она передает свои функции оставшейся половине с повышенным напряжением питания. По характеристикам превосходит усилители класса В.
Дальнейшее развитие получили цифровые усилители. Идея, положенная в основу усилителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) – иначе говоря, усилителей класса D, известна еще с конца 50-х годов. Однако создание действительно пригодных для высококачественного звуковоспроизведения конструкций стало возможным лишь в середине 80-х после появления соответствующей элементной базы.