4. Усилители мощности

4.1. Согласование источника сигнала с нагрузкой. Классификация усилителей мощности.

Существует 3 способа согласования источников сигнала с нагрузкой:

- по напряжению,

- по току,

- по мощности.

Задача согласования источника напряжения с нагрузкой решалась в ранее рассмотренных RC-усилителях напряжения. В этом случае схема подключения источника к нагрузке приведена на рис.4.1.

Рис. 4.1. Схема подключения источника напряжения к нагрузке

При согласовании источника с нагрузкой по напряжению необходимо обеспечить условие:

или .

Это достигается при . Если это неравенство не выполняется, то согласование по напряжению считается удовлетворительным, если .

.

Согласование по току осуществляется при необходимости обеспечения тока в нагрузке, равного или близкого входному току

или .

В этом случае схема подключения источника сигнала будет иметь вид, показанный на рис.4.2. Согласование источника тока с нагрузкой обеспечивается при выполнении следующего условия:

.

Тогда .

Рис. 4.2. Схема подключения источника тока к нагрузке

Согласование сигнала с нагрузкой по мощности применяется тогда, когда в нагрузке необходимо получить максимальную мощность:

или .

Схема подключения источника сигнала к нагрузке в этом случае имеет вид, аналогичный схеме подключения источника напряжения к нагрузке при согласовании по напряжению (см.рис.4.1). Однако максимальная мощность в нагрузке для этого случая будет обеспечиваться при равенстве внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки:

.

Это легко показать, взяв производную и приравняв ее к нулю. Такое согласование необходимо выполнять в усилителях мощности, которые, как правило, являются оконечными каскадами, обеспечивающими максимальную или требуемую мощность в нагрузке. В этих каскадах для согласования высокого выходного сопротивления усилителя с низкоомной нагрузкой применяются выходные (согласующие) трансформаторы (см.рис.4.3).

Рис.4.3. Согласование выходного сопротивления усилителя с нагрузкой по мощности

В этом случае сопротивление нагрузки, приведенной к выходу усилителя (или к входу трансформатора), будет определяться следующим выражением:

,

где - коэффициент трансформации трансформатора.

Для оптимального согласования по мощности и при известных и из последнего выражения определяют требуемый коэффициент трансформации трансформатора .

Различают однотактные и двухтактные усилители мощности. Двухтактные усилители мощности применяются при больших мощностях в нагрузке ( ). Усилители мощности работают в основном в классах «А», «АВ» и «В». Положение рабочих точек в указанных классах на нагрузочной линии усилителя мощности по постоянному току показано на рис.4.4.

В режиме класса «А» рабочая точка выбирается в центре активной области (точка О₃ на рис.4.4), при этом приращения сигнала относительно рабочей точки должны быть невелики и составлять порядка до 30÷40% от координат рабочей точки О₃. Этот режим используется в однотактных усилителях. В классе «В», рабочая точка выбирается в режиме отсечки транзистора ( ) – точка О₁. Данный режим работы применяется в двухтактных усилителях. В классе «АВ», рабочая точка занимает промежуточное положение между классами «А» и»В» (точка О₂ на рис.4.4).

Рис.4.4. Положение рабочих точек в различных классах работы усилителя мощности

Коэффициенты полезного действия каскадов в классах «А», «АВ» и «В» составляет соответственно 0,25÷0,3; 0,3÷0,45; 0,45÷0,6. При этом нелинейные искажения возрастают с ростом КПД каскада. Усилители мощности строятся по трансформаторным и бестрансформаторным схемам.