Что определяет максимальную амплитуду выходного напряжения усилителя

Поговорим теперь о выходной мощности усилителя низкой частоты.
Для усилителя мощности основной квалификационной характеристикой является величина этой мощности. Она измеряется в Ваттах и определяется как мощность, выделяющаяся на нагрузке сопротивлением Rн при амплитуде напряжения на ней Uн.
При синусоидальном испытательном сигнале эта мощность составляет
Pн = Uн 2 / (2 х Rн).
Любой усилитель можно охарактеризовать максимальной выходной мощностью.
Это долговременная мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя при максимально – возможной амплитуде синусоидального сигнала на его выходе. При измерении этой мощности искажения не важны – главное, чтобы форма сигнала была похожа на синусоиду. То есть при этой мощности нелинейные искажения 10% — это нормально.
Так как удвоенная амплитуда (размах) сигнала на выходе усилителя не может превысить его напряжения питания и, скорее всего меньше его на dU = 2 – 5 В, то максимальная мощность, в любом случае, не может быть больше некоего значения, определяемого по формуле:
Pmax = (Eпит – dU) 2 / (8 x Rн).
То есть при питании усилителя мощности от источника напряжением 20 В и нагрузке 4 Ом максимальная выходная мощность, в любом случае, не превысит 20 x 20 / (8 х 4 ) = 12,5 Вт. На самом деле, из-за dU максимальная выходная мощность будет, скорее всего, около 8 — 10 Вт.
Редко, но бывает, когда максимальная выходная мощность указывается при прямоугольном выходном сигнала – тогда это та долговременная мощность, больше которой из усилителя не выжать. Но к качеству звучания усилителя этот параметр уже никакого отношения не имеет.
Отмечу, что мощность усилителя при 10% нелинейных искажений имеет международное обозначение RMS.

Номинальная выходная мощность — это максимальная долговременная мощность сигнала, которую может отдать усилитель в нагрузку при определенном, наперед заданном коэффициенте нелинейных искажений – чаще всего 1%, хотя может быть и любое другое значение, например 0,5% или те же 10%. Эта мощность зависит от схемы построения усилителя и примененных в ней элементов но она всегда меньше максимальной мощности, иногда значительно. Хочу сказать, что значение нелинейных искажений, при которых измеряется номинальная мощность никак не стандартизировано и устанавливается изготовителем усилителя так, как ему хочется.
Так, например, в Datasheet на усилитель TDA2030 указано, что при напряжении питания 38 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом выходная мощность составляет не менее 18 Вт при нелинейных искажениях 0,5%.
А из его характеристик следует, что при искажениях в 10% его выходная мощность может составить 30 Вт и более.
Номинальная выходная мощность – это собственно говоря, та самая «Советская» мощность, о которой кто-то как-то спрашивал в комментариях к одному из постов.

Еще один параметр – максимальная музыкальная мощность усилителя. Это максимальная мощность синусоидального сигнала, которую усилитель может отдать в нагрузку за очень короткое время – допустим, 0,1 секунды. Эта величина в большой степени зависит от схемы построения как усилителя мощности, так и его блока питания. Если блок питания стабилизирован, то есть выдает одинаковое напряжение и при малой нагрузке (при малой громкости), и при максимальной мощности, то максимальная музыкальная мощность и максимальная мощность усилителя совпадают.
Если же блок питания нестабилизирован, то его выходное напряжение зависит от мощности сигнала – при малой мощности оно выше, чем при большой. Например, блок питания с выходным напряжением 20 В при нагрузке 3 А может иметь выходное напряжение 24 В при нагрузке 100 мА. А у блоков питания дешевых усилителей эта разница еще больше. Поэтому, в первый момент после подачи на усилитель испытательного сигнала, отдаваемая усилителем мощность будет значительно больше, чем через несколько секунд после этого, когда конденсаторы блока питания разрядятся и его напряжение упадет. Разница может достигать 2-х раз (при разнице напряжений в 1,4 раза). Этот параметр имеет право на жизнь, так как музыка или речь – это не стабильный синусоидальный сигнал, а чередование тихих и громких звуков.

Еще большее значение имеет PMPO – пиковая музыкальная выходная мощность. Это мощность сигнала на пике — то есть в максимальной точке. Так как это импульс, то его мощность не усредняется по всему периоду сигнала, и его значение, в принципе, в 2 раза больше максимальной музыкальной мощности. Таким образом, значение мощности PMPO может быть в 5 и более раз больше номинальной мощности, особенно при источнике питания усилителя плохого качества. То есть, при «Советской» мощности усилителя 20 Вт, значение его PMPO может составить 100 Вт и более.

Еще больше можно увеличить мощность усилителя мощности, просуммировав мощности всех его каналов (стерео – 2 канала и т.д.) и умножив результат на поправочный коэффициент, значение которого каждый производитель определяет самостоятельно. После этого можно делать наклейку 1000 Watt PMPO для малогабаритного приемника.

Теперь о повышении выходной мощности усилителя.
Для начала рассмотрим выходные каскады.

На левом рисунке нарисован выходной каскад, верхнее и нижнее плечи которого построены на комплементарных составных транзисторах. При этом, если на базе первого верхнего транзистора будет напряжение, равное напряжению источника питания Eп, то на эмиттере верхнего выходного транзистора напряжение станет равным Eп – Uбэ – Uбэ.
Для маломощных транзисторов можно принять Uбэ = 0,65 В, но у мощных транзисторов, при больших токах базы, это напряжение больше и может достигать 1 В и более. Поэтому напряжение в средней точке будет примерно на 2 В меньше напряжения питания (в реальной жизни до 2,5 В). Так же при нулевом напряжении на базе первого нижнего транзистора, напряжение в средней точке будет равно 2 – 2,5 В. То есть амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 4 – 5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада. (предполагаем его размах равным напряжению источника питания)
В схеме на среднем рисунке выходное напряжение уменьшается только одним эмиттерным переходом в каждом плече. Но дополнительное уменьшение вносит напряжение насыщения Uкэ первого транзистора, которое редко бывает меньше 0,5 В. Поэтому в этой схеме амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3 – 4 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.
Схема на правом рисунке состоит из частей левой и средней схемы. В ней амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3,5 – 4,5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.

В идеальном случае размах сигнала на базах первых транзисторов выходных каскадов равен напряжению источника питания.
Однако в реальной схеме это далеко не так.

При полностью закрытом транзисторе VT1 через резистор R3 будет течь ток базы VT2.
Из примера расчета видно, что при использовании в качестве VT2 составного транзистора с коэффициентом усиления по току 1000, максимальный ток его базы составит 1,58 мА. При этом на резисторе R3 сопротивлением 1,5 кОм падение напряжения составит 2,37 В.
Обратите внимание – на базе VT2 будет не Eп = 30,4 В, а Eп – 2,37 В = 28 В.
При полностью открытом транзисторе VT1 напряжение на базе VT3 будет равно напряжению насыщения VT1, то есть, не менее 0,5 В.
Итого, амплитуда напряжения на базах транзисторов VT2 и VT3 будет примерно на 3 В меньше напряжения питания усилителя, соответственно выходное напряжение усилителя мощности будет меньше напряжения его питания примерно на 8 В.
При использовании других схем выходного каскада эта разница будет меньше, но незначительно.
Для исправления ситуации можно использовать, по крайней мере, три способа:
1.Разделить выходной и предвыходной каскады и питать их от разных источников питания. При этом источник питания предвыходного каскада должен иметь напряжение не менее, чем на 8 вольт больше, чем источник выходного каскада и может быть относительно маломощным (десятки миллиампер).

2.Применить схему с вольтодобавкой (с виртуальным источником питания).

В этой схеме резистор R3 разделен на два резистора — R31 и R32 таким образом, что их суммарное сопротивление равно сопротивлению резистора R3, и R32 в 3 – 4 раза меньше R31. Между точками соединения этих резисторов и выходом усилителя включен конденсатор вольтодобавки C4 с такой емкостью, чтобы он не успевал существенно разряжаться за период действия сигнала минимальной частоты. После включения усилителя этот конденсатор заряжается до напряжения, близкого к половине напряжения питания (точнее, до напряжения на R31) и, далее, работает как батарейка, подпитывающая каскад на транзисторе VT1.
Предположим, что напряжение питания усилителя 20 В а соотношение сопротивлений резисторов R31 и R32. равно 4 к 1. Тогда на нижней обкладке конденсатора C4 будет 10 В а на верхней 18В и напряжение на нем составит 8 В.
Предположим, что во время усиления входного сигнала напряжение в средней точке стало равно 15 В. Так, как конденсатор C4 разряжается медленно, напряжение между его обкладками все равно будет равно 8 В и напряжение на его верхней обкладке, а значит и в точке соединения резисторов R31 и R32 составит 23 В – больше, чем напряжение питания. Это позволяет увеличить амплитуду сигнала предвыходного каскада и увеличить выходную мощность усилителя.
Кстати, такая схема применяется и в драйверах ключей на полевых транзисторах IR2101, IR2113, IR2153 и аналогичных.

3.Применить вместо резистора R3 транзистор, комплементарный к VT1 и
работающий в противофазе с ним. Схему пока рисовать не буду, только отмечу, что в этом случае потери напряжения составят по 0,5 В на каждый транзистор, то есть 1В. И потери на выходных транзисторах скомпенсированы не будут.

4. Применить в качестве выходного каскада схему с усилением сигнала.

Она очень похожа на среднюю схему выходного каскада за исключением того, что эмиттеры предвыходных транзисторов подключены к средней точке через делитель напряжения на резисторах R4 и R3. Коэффициент усиления такого каскада определяется соотношение их сопротивлений и определяется по формуле
K = (R4 + R3) / R3
Мощный усилитель с таким выходным каскадом склонен к самовозбуждению и усиление выходного каскада нельзя выбирать большим — лучше ограничиться величиной 1,2 — 2 раза. Номинал резистора R3 можно принять равным 220 — 470 Ом, сопротивление резистора R4 расчитывается исходя из требуемого усиления.

В такой схеме выходное напряжение ограничено только напряжением насыщения выходных транзисторов и выходная мощность может быть максимальной.

Источник

9.1.3 Усилители мощности низкой частоты

Усилителем мощности называется усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания.

Обычно в усилителе мощности амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с предельно допустимыми значениями, а выходная мощность сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой прибором. В таком режиме, например, обычно работает выходной каскад усилителя звуковых частот в радиовещательных приемниках.

В отличие от усилителей напряжения и тока к усилителям мощности предъявляются требования получения большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия. Выполнение этих требований сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала. Простейший усилитель мощности низкой частоты строится по той же схеме, что и усилитель слабого сигнала. Например, обычный резистивный каскад на транзисторе с ОЭ также может быть использован и в качестве усилителя мощности.

Простой вывод основных соотношений для усилителя мощности основывается на использовании идеализированных характеристик транзистора. Активный элемент усилителя характеризуется предельно допустимыми значениями мощности, напряжения и тока в выходной цепи. Для транзистора с ОЭ это . Так как , то на семействе выходных характеристик транзистора можно отметить предельно допустимые режимы. На рис.6 показаны выходные характеристики транзистора с ОЭ, линия допустимой мощности , ограниченная допустимыми значениями тока и напряжения..

Область, ограниченная этими линиями (одинарная штриховка), позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают до величин: . На рис.6 область, ограниченная максимальными режимами, показана двойной штриховкой.

Для упрощения анализа усилителя мощности правомерно применение идеализации BAX транзистора в виде кусочно-ломаной аппроксимации.

В широкополосных усилителях мощности низкой частоты, использующих в каскаде один транзистор, используется для усиления только режим усиления класса “А” ( q = 180 0 ), позволяющий работать без нелинейных искажений сигнала. Напряжение питания Е_к выбирается равным максимальному значению коллекторного напряжения, а сопротивление нагрузки R_к=E_к/i_к,max. На рис.7 показаны осциллограммы напряжений и токов, действующих в схеме резистивного каскада.

Коэффициент полезного действия электронного усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.

Выходная полезная мощность в случае усиления гармонического сигнала равна:

,

где U_м,кэ, I_м,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Е_к и постоянной составляющей тока I_к,o, протекающего в коллекторной цепи:

.

Таким образом, КПД равен:

.

Величина называется коэффициентом использования напряжения источника питания; величина отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Для получения высокого КПД следует увеличивать и . Максимальный КПД (100%) получается при .

Из рис.7 видно, что при максимальном использовании линейного участка ДПХ , следовательно, , и, таким образом, при выбранной идеализации в режиме класса “А” имеем

.

В реальных усилителях мощности линейный участок ДПХ ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .

Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки; схема такого усилителя мощности показана на рис. 8.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением трансформатора для переменного тока. Линия нагрузки для постоянного тока определяется здесь соотношением: .

Для определения амплитуд тока и напряжения построим через точку А линию нагрузки по переменному току (ЛН

), угол наклона которой определяется сопротивлением R_к. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Е_к, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при данной идеализации

.

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Из-за широкополосности нагрузки в этом случае нельзя избавиться от высших гармонических составляющих тока и, следовательно, от нелинейных искажений формы выходного сигнала.

Одним из способов построения усилителей мощности низкой частоты с высоким КПД являются двухтактные схемы (один из вариантов показан на рис.10), в которых транзисторы работают с углом отсечки q = 90 0 в противофазе.

Так как выходное напряжение определяется разностью токов каждого транзистора, то в нагрузке будет выделяться практически гармоническое напряжение (при гармоническом сигнале на входе). Это проиллюстрировано графиками рис.11.

Хорошее симметрирование схемы позволяет исключить из выходного напряжения все четные гармоники тока. У реальных усилителей из-за нижнего нелинейного участка ДПХ приходится проводить дополнительные регулировки смещений транзисторов.

Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока определяются здесь как:

.

Для угла отсечки 90 о . Таким образом, максимальный КПД каждого плеча схемы равен

.

.

Обычно коэффициент гармоник выражают в процентах и не допускают, чтобы он превышал 5-10%, причем при высококачественном усилении звуковых колебаний он не должен превышать 1 – 1,5 %.

Главный недостаток схем бестрансформаторных усилителей заключается в трудности подбора двух транзисторов (особенно при использовании транзисторов разной полярности) с характеристиками, близкими на всем диапазоне значений выходного сигнала. Это приводит к значительному усложнению схемы. Многие усилители в микросхемном исполнении, в том числе и операционные, имеют достаточно сложные схемные реализации выходных каскадов.

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004

Источник

Характеристики усилителей: классификация, диаграммы, основные параметры

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

По роду усиливаемого сигнала

По функциональному назначению

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению К_U, току К_i или мощности К_Р:

где U_вх, I_вх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

Р_вх, Р_вых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К₁ · К₂ · … · К_n

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где К_U— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U_вх и U_вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

где Р_ист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя:

где U_вх и I_вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆U_вых и ∆I_вых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.

Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.

После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

где U_lm, U_2m, U_3m, U_nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = U_{вх max} / U_{вх min}характеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3). При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы u_бэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора i_б = f(u_бэ) входной ток транзистора i_б (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.

Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.

АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.

Частоты f_н и f_в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f_н − f_в) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.

При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K₀ / K_f где K_f — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений М_Н = K₀ / K_Н и М_В = K₀ / K_В называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f). Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.

ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя

Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.

Ещё одно интересное видео по теме смотрите ниже:

Источник