Условия расчета каскадов мощного усиления

Каскад мощного усиления предназначен для отдачи заданной мощности сигнала в заданное сопротивление нагрузки. Эта мощность должна отдаваться при допустимом уровне как нелинейных, так и частотных или переходных искажений, а также при возможно меньшем потреблении мощности от источников питания.

Выбор усилительного элемента для каскада мощного, усиления, способа его включения, режима работы, положения точки покоя на характеристиках усилительного элемента, сопротивления нагрузки выходной цепи и т. п. производят исходя из указанных выше требований. Коэффициент усиления каскада мощного усиления получается обычно много ниже, чем каскада предварительного усиления с тем же усилительным элементом; с этим мирятся, так как коэффициент усиления здесь является второстепенным показателем.

Специфической особенностью каскада мощного усиления является полное использование характеристик усилительного элемента, из-за большой амплитуды входного сигнала, вследствие чего параметры усилительного элемента за период сигнала изменяются в широких пределах. Поэтому расчет отдаваемой каскадом мощности, его коэффициента усиления, коэффициента гармоник проводят графическим способом по характеристикам усилительного элемента, так как при аналитическом расчете этих величин с использованием малосигнальных параметров усилительного элемента (параметров в точке покоя) получаются очень большие ошибки.

В каскадах мощного усиления можно использовать любые усилительные элементы: транзисторы, триоды, тетроды или пентоды в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю. Рабочий режим их также может быть различным (режим А, режим В и др.). На. практике встречаются каскады мощного усиления с выходной мощностью от милливатт до сотен киловатт. При очень малой мощности — до десятых долей ватта — в каскадах мощного усиления применяют маломощные транзисторы или маломощные электронные лампы приемно-усилительной серии. При средней выходной мощности (ватты и сотни ватт) каскады мощного усиления конструируют как с мощными транзисторами, так и со специальными выходными лампами приемно-усилительной серии; при выходной мощности от сотен ватт до сотен киловатт применяют мощные генераторные и модуляторные лампы в режиме В₂ (с токами сетки).

Наконец, каскады усиления мощности отличаются схемами; кроме простой однотактной схемы широко применяется двухтактная схема, обладающая важными преимуществами. Транзисторы в трансформаторных каскадах мощного усиления обычно включают с общим эмиттером или общей базой. При включении транзисторов с общим эмиттером коэффициент усиления мощности сигнала получается наибольшим, а поэтому требуются наименьшая выходная мощность от предыдущего каскада и наименьшее усиление от предварительного усилителя. Предыдущий каскад при этом может быть сделан резисторным, что упрощает и удешевляет усилитель. Включение с общей базой позволяет получить меньший коэффициент гармоник и хорошую стабильность каскада при изменении температуры, напряжения питания, старении и замене транзистора; однако при таком включении входной ток сигнала очень велик, что заставляет предыдущий каскад выполнять трансформаторным; выходная мощность предыдущего каскада и усиление от предварительного усилителя здесь требуются большие.

Включение транзисторов с общим коллектором в трансформаторном каскаде мощного усиления применяют реже, так. как оно не имеет преимуществ по сравнению с включением. с общей базой (приблизительно такой же коэффициент усиления мощности и большее напряжение входного сигнала); малый коэффициент гармоник в таком каскаде можно получить лишь при малом R_ист. О порядке величины k_г однотактного транзисторного каскада в режиме А и зависимости k_г от отношения R_ист/R_вх можно судить по кривым, приведенным на рис. 2.5.1.

Условия работы каскадов мощного усиления зависят также от характера внешней нагрузки усилителя. Например, для усилителей звуковой частоты нагрузкой могут служить электродинамические громкоговорители, сопротивление которых носит комплексный характер — содержит индуктивную составляющую и, следовательно, возрастает с увеличением частоты. Однако на средних звуковых частотах (порядка сотен герц), на которых ведется расчет полезной мощности, отдаваемой усилительными элементами, сопротивление полезной нагрузки в большинстве случаев можно считать активным, что сильно упрощает построение линий нагрузки и динамических характеристик. Расчет каскадов мощного усиления обычно ведут на активную нагрузку.

Рис. 2.5.1.

Ориентировочный характер зависимости коэффициента гармоник транзисторного каскада от сопротивления источника сигнала при различных способах включения

Рис. 2.5.2. Каскады мощного усиления на транзисторах: а — с непосредственным включением нагрузки Лв в выходную цепь усилительного элемента; б — резисторный; в — трансформаторный

По способу подключения нагрузки каскады мощного усиления; можно подразделить на каскады с непосредственным включением нагрузки, резисторный, дроссельный и трансформаторный.

Простейшим способом подключения нагрузки R_н к каскаду мощного усиления является ее непосредственное введение в выходную цепь усилительного элемента без выходного устройства (рис. 2.5.2а). К достоинствам такой схемы относятся ее простота, отсутствие дополнительных деталей, потерь мощности в выходном устройстве, дополнительных нелинейных, частотных :и переходных искажений и возможность усиления сигналов в широкой полосе частот, а к недостаткам — протекание через нагрузку постоянной составляющей тока питания и наличие на ней постоянного потенциала по отношению к общему проводу, невысокий КПД схемы. Практически КПД, получаемый от каскада с непосредственным включением нагрузки, обычно не превышает при транзисторах 20% и при триодах 7%. Из-за малого КПД и недопустимости в большинстве случаев протекания постоянной составляющей тока питания через нагрузку непосредственное включение, несмотря на отмеченные достоинства, на практике используют редко.

В резисторном каскаде мощного усиления, схема которого представлена на рис. 2.5.2 б, нагрузка R_н включается в выходную Цепь через резисторно-емкостное выходное устройство RC. Ток питания здесь через нагрузку не проходит, кроме того, нагрузка соединена с общим проводом схемы, что нередко необходимо. Резисторный каскад прост, не требует дорогих и громоздких деталей, имеет широкую полосу рабочих частот, но у него очень низкий КПД. От резисторного каскада с транзистором трудно получить КПД выше 5—6%. Поэтому, несмотря на достоинства, резисторные каскады мощного усиления применяют только при очень малой выходной мощности - не выше десятков или сотен милливатт.

Более высоким КПД обладают дроссельный и трансформаторный каскады мощного усиления. Как видно из рис. 2.5.2 в, ток питания выходной цепи, в трансформаторном каскаде через нагрузку не течет; максимальный КПД здесь вдвое выше, чем при непосредственном включении нагрузки, и почти в 6 раз больше, чем у резисторного каскада. Однако полоса усиливаемых частот у дроссельного каскада меньше, чем у резисторного, а у трансформаторного еще меньше; стоимость же, масса, габаритные размеры как дроссельного, так и трансформаторного каскадов много больше, чем резисторного.

Трансформаторный каскад, имея почти те же габаритные размеры, массу и стоимость, что и дроссельный каскад, имеет достоинство: при соответствующем коэффициенте трансформации выходного трансформатора он может работать с высоким КПД практически на любое по величине сопротивление нагрузки. По этой причине трансформаторные каскады мощного усиления, несмотря на высокую стоимость и сравнительно узкую полосу рабочих частот, применяются в качестве выходных каскадов транзисторных усилителей.

Способ расчета каскада мощного усиления зависит от схемы каскада, типа используемого усилительного элемента и режима, в котором он работает. Очень важным для каскадов мощного усиления является точный и правильный выбор рабочего режима усилительного элемента, напряжения источника питания, сопротивления нагрузки выходной цепи току сигнала, тока (или напряжения) смещения во входной цепи, тока или напряжения входного сигнала и т. д. Этим вопросам и уделено в данной главе наибольшее внимание.

Анализ частотных и переходных характеристик, а также расчет электрических деталей схемы каскадов мощного усиления не отличаются от приведенного выше расчета для каскадов предварительного усиления.