4.12. МОЩНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка и мощность , рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков — сотен . Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рассчитывают по заданным значениям и . Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности .

Общие сведения о мощных усилительных каскадах.

Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Нелинейные искажения для мощных транзисторных каскадов обусловлены зависимостью или от режима работы, нелинейностью характеристик транзисторов или , а также нелинейностью характеристик намагничивания магнитной системы трансформатора, часто используемого для согласования выходного каскада с нагрузкой.

Для количественной оценки нелинейных искажений, вносимых каскадом, на его вход подают чисто синусоидальный сигнал и измеряют амплитуды гармоник на его выходе.

Отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд всех гармоник, кроме первой, на входе каскада к амплитуде первой гармоники характеризует нелинейные искажения, вносимые усилителями мощности. Это отношение называется коэффициентом гармоник:

(4.217)

При экспериментальной оценке чаще используют коэффициент нелинейных искажений [см. (4.20)] ввиду более простой реализации измерительного устройства. Разница между этими двумя оценками нелинейных искажений обычно несущественна. Коэффициенты гармоник и нелинейных искажений часто выражают в процентах.

У прецизионных усилителей иногда оценивают коэффициент искажений интермодуляции. При его нахождении на вход усилителя через резисторы подаются сигналы от двух генераторов сигналов. Частота одного из них небольшая Гц). Второе напряжение имеет частоту на порядок - полтора большую, чем (обычно да . Значения напряжений берут 0,8 и . К выходу усилителя подключают полосовой фильтр, настроенный на частоту . Составляющие выходного напряжения фильтра (рис. 4.41) измеряют с помощью приборов. Коэффициент интермодуляции оценивают из уравнения

(4.218)

Если усилитель линейный, то при воздействии любого количества сигналов происходит их суммирование и в спектре сигнала не появляются комбинационные частоты. Соответственно не происходит модуляции амплитуд гармоник выходного сигнала. При наличии нелинейности возникают комбинационные частоты и высокочастотная гармоника окажется модулированной по амплитуде, причем глубина модуляции, характеризуемая напряжением , зависит от нелинейности усилителя.

Рис. 4.41. Напряжение на выходе фильтра, у которого

В общем случае сигналы сложной формы могут усиливаться, поэтому нелинейные искажения усилителя следует оценивать суммарным коэффициентом

(4.219)

который должен быть меньше допустимого значения . Справедливость (4.219) обусловлена тем, что в общем случае происходит суммирование нежелательных гармоник и интермодуляционных искажений, что в выражении (4.217) не учитывается, так как оно характеризует искажения одной гармоники.

Как показывают расчеты, коэффициенты гармоник, обусловленные только нелинейностью входной цепи мощного усилительного каскада на биполярных транзисторах, могут достигать 3—8%, а интермодуляционные искажения в 1,6 раза больше гармонических. Общие же искажения достигают 15—20%. Их уменьшение осуществляют за счет введения достаточно глубокой отрицательной ОС, охватывающей мощный усилительный каскад. Ориентировочно можно считать, что коэффициенты гармоник и интермодуляционных искажений уменьшаются пропорционально глубине ОС:

(4.220)

где К — суммарный коэффициент гармоник каскада с ОС; — коэффициент ОС.

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах А, В или АВ. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме А. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.