Как классифицируются электронные усилители
Перейти к содержимому

Как классифицируются электронные усилители

  • автор:

 

3.5. Электронные усилители

Электронный усилитель – это устройство, увеличивающее мощность электрических сигналов. Основным элементом усилителя является прибор, обладающий управляющими свойствами, т.е. управляющий элемент (транзистор, тиристор, лампа и др.). Кроме того, в состав усилителя входят пассивные элементы и источник питания.

Один управляющий элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Структурная схема усилительного каскада показана на рис.3.20. К входу усилителя подключается источник сигнала. Входной маломощный сигнал управляет энергией источника питания значительно большей мощности. Таким образом, используя управляющий элемент, например, транзистор и более мощный источник питания, можно усиливать мощность входного сигнала. Внешняя нагрузка Rн, потребляющая энергию усиленного сигнала, подключается к выходу усилителя. Нагрузкой, а также источником входного сигнала часто служат соответственно последующий и предыдущий каскады усиления, т.к. в общем случае усилитель может содержать несколько каскадов усиления.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности. Усилитель напряжения обеспечивает на нагрузочном сопротивлении заданную величину выходного напряжения, его входное сопротивление намного больше сопротивления источника сигнала Rвх>>Rи, а сопротивление нагрузки намного больше выходного сопротивления усилителя Rн>>Rвых. Режим усилителя тока обеспечивается, когда Rвх<<Rи и Rн<<Rвых. В режиме усилителя мощности Rвх ≈ Rи и Rвых ≈ Rн. Такое деление достаточно условно потому, что любой усилитель в конечном итоге усиливает мощность.

По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

По диапазону и абсолютным значениям усиливаемых частот сигнала – усилители постоянного тока (полоса частот от нуля до верхней граничной частоты), переменного тока, высокой частоты, промежуточной частоты, низкой частоты, широкополосные усилители.

По виду связи между каскадами различают усилители с RC-связью, трансформаторной, резонансно-трансформаторной и непосредственной.

3.5.2. Основные параметры и характеристики усилителей

Входное и выходное сопротивления. Входное сопротивление Rвх представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Выходное сопротивление Rвых определяется между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке и отсутствии входного сигнала.

Коэффициент усиления. Основным показателем всех усилительных схем является коэффициент усиления – отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его входе. Так как выходной сигнал отличается от входного не только по величине, но и по фазе, то в общем случае коэффициент усиления – величина комплексная:

где К — модуль коэффициента усиления;

φ — угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами.

В зависимости от усиливаемого параметра различают

коэффициенты усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх, по току Ki = Iвых/Iвх и по мощности Kp = Pвых/Pвх. Коэффициент усиления по мощности всегда число действительное.

Так как восприятие слуховых органов человека подчиняется логарифмическому закону, усиление удобно выражать в логарифмических единицах – децибелах. К тому же во многих схемах усиления уровень мощности сигнала в различных точках может меняться от микроватт до

киловатт, и коэффициент усиления в безразмерных единицах выражался бы довольно громоздким числом. Формулы перевода имеют вид:

Частотная характеристика усилителя показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Необходимо иметь в виду, что входной сигнал любой формы можно представить как сумму гармонических составляющих, имеющих различные частоты и усиливающихся неодинаково.

На рис.3.21,а показана типичная частотная характеристика для усилителя с RC-связью. Как видно из рисунка, модуль коэффициента усиления на различных частотах имеет разные значения, в результате чего на выходе усилителя изменяется форма сложного сигнала или амплитуда гармонического, т.е. усилитель вносит в усиливаемый сигнал частотные искажения. Они обусловлены наличием реактивных элементов (емкостей и

индуктивностей), сопротивления которых зависят от частоты.

Частотные искажения на частоте f оцениваются коэффициентом

частотных искажений М:

где К0 — модуль коэффициента усиления на средних частотах;

Kf — модуль коэффициента усиления на частоте f.

Обычно в зависимости от назначения усилителя допустимые частотные искажения лежат в интервале сотые доли децибела — несколько децибел.

Частоты fн и fв, на которых искажения достигают гранично-допустимую величину для усилителя данного назначения, называются граничными. Диапазон частот Δf = fв — fн называется полосой пропускания усилителя. Обычно на частотной характеристике выделяют три участка: средний, почти горизонтальный участок, со средней частотой f0, левый (область нижних частот) и правый (область верхних частот) участки, на которых заметно снижается коэффициент усиления.

Фазовая (фазочастотная) характеристика усилителя (рис.3.21,б) представляет собой зависимость фазового сдвига между выходным и входным напряжениями от частоты, пунктиром на рис.3.21,б показана идеальная фазовая характеристика усилителя без искажений – это прямая линия, проходящая через начало координат. Из сравнения частотной и фазовой характеристик видно, что появление частотных искажений сопровождается наличием фазового сдвига между выходным и входным сигналами, т.е. появлением фазовых искажений. Они обусловлены теми же причинами, что и частотные.

В усилителях звуковых сигналов фазовые искажения не играют существенной роли, поскольку они не воспринимаются на слух при прослушивании музыки и речи. В усилителях импульсных сигналов они влияют на форму усиливаемых сигналов.

Амплитудная характеристика (рис.3.21,в) выражает зависимость амплитуды напряжения (или действующего значения) выходного сигнала усилителя от амплитуды напряжения (или действующего значения) сигнала на его входе при некоторой постоянной частоте. Когда значения входного сигнала малы, амплитудная характеристика проходит не через начало координат, т.к. в реальных усилителях при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Причиной шумов являются пульсации напряжения источника питания, а также неоднородность структуры материала элементов и непостоянство электрических процессов во времени.

При больших входных сигналах (Uвх>Uвх.макс) пропорциональность между выходным и входным напряжениями нарушается из-за нелинейности вольт-амперных характеристик транзистора. Данное обстоятельство приводит к искажению формы выходного сигнала, эти искажения называются нелинейными. Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармоник (коэффициенту нелинейных искажений):

,

где Ui — действующее (амплитудное) значение i-й гармоники выходного напряжения.

Допустимое значение коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Для усиления речи и музыки среднего качества коэффициент гармоник 2%.

Динамический диапазон усилителя характеризует диапазон напряжений сигнала, которые данный усилитель может усилить без внесения помех и искажений сверх нормы и равен отношению максимального входного напряжения к минимальному:

Динамический диапазон обычно выражается в децибелах.

Переходная характеристика представляет собой графически выраженную временную зависимость мгновенного значения выходного напряжения при воздействии на вход усилителя единичного скачка напряжения. Эта характеристика используется при оценке линейных искажений, вносимых усилителем при передаче импульсных сигналов. Искажения импульсных сигналов называются также переходными искажениями, а аналитическая запись переходной характеристики – переходной функцией.

Электронные усилители. Назначение, классификация, параметры и модель усилительного каскада.

Усилитель электрических сигналов это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема усилителя.

Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро — необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Рвх выходная мощность Рвых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Рвх < Рвых < Ро. Следова­тельно,усилитель это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.

Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве слу­чаев одного элемента недостаточно и в усилителе при­меняют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом. Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов: к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными эле­ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально не­обходимого набора активных и пассивных элементов.

Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема многокаскадного усилителя.

Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

Источни­ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи­тывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических парамет­ров в электрические.

Нагрузкой являются громкоговорители, электриче­ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д.Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.

Классификация усилительных устройств.

Усилительные устройства классифицируют по различным признакам. Основными являются: диапазон усиливаемых частот, функциональное назначение, характер и полоса усиливаемого сигнала. Основнымколичественным параметром усилителя является его коэффициент усиления (коэффициент передачи). Различают коэффициенты усиления напряжения Ku , тока Ki или мощности Kp .

По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических(непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты = 0 до верхней рабочей частоты . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную со­ставляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Усилители напряжения, в свою очередь подразделяются на усили­тели низкой, высокой и сверхвысокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

избирательные усилители (усилители высокой частоты — УВЧ), для которых действительно отношение частот /1;

широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот />>1(например УНЧ — усилитель низкой частоты).

Усилители мощности — оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной Rвн. к = Rн, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).

По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микро­схемы (ИМС).

Показатели работы усилителей.

Одним из основных показателей усилительного каскада является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. Форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала из-за линейных и нелинейных искажений, вносимых усилителем.

Линейные искажения возникают из-за реактивных элементов в схеме и определяются скоростью изменения сигнала во времени.

К показателям работы усилителей относятся вход­ные и выходные данные, коэффициент усиления, диапа­зон частот, коэффициент искажений, КПД и другие па­раметры, Характеризующие его качественные и эксплуа­тационные свойства.

К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения Uвх=U1, тока Iвх=I1или мощно­сти Pвх=P1), входное сопротивление, входная емкость или ин­дуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное со­противление Rвх в сравнении с сопротивлением источ­ника сигнала Rи предопределяет тип усилителя; в зави­симости от их соотношения различают усилители напря­жения (при Rвх >> Rи), усилители тока (при Rвх << Rи) или усилители мощности (при Rвх = Rи). Входная ем­кость Свх, являясь реактивной компонентой сопротивле­ния, оказывает существенное влияние на ширину рабо­чего диапазона частот.

Выходные данные — это номинальные значения выход­ного напряжения Uвых=U2, тока Iвых=I2, выходной мощности Pвых=P2 и выходного сопротивления. Выходное сопротивление дол­жно быть значительно меньшим, чем сопротивление на­грузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (ин­дуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие

Характеристики усилителя.

Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сиг­налы различной частоты и формы. К важнейшим харак­теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот­ная, фазо-частотная и переходная.

Рис. 3. Амплитудная характеристика.

 

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость ампли­туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты (рис. 3.). Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, при­чем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех Uп, создаваемых самим уси­лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли­туде входного Uвых=K * Uвх и амплитудная характерис­тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика от­личается от прямой.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а вы­ходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке 4.

Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посред­ством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи уси­лителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная (слева) и принципиальная схема с отрицательной ОС по току (справа).

Обратная связь может возникать в схеме через паразитные цепи, такая об­ратная связь называется паразитной. Так как паразитные связи, как правило, нельзя рассчитать, а они могут существенно ухудшить работу усилителя, по­этому паразитные связи усилителя ослабляют, чтобы они практически не ска­зывались на его свойствах. Обратная связь возникает также благодаря конст­руктивным особенностям и физическим свойствам усилительных элементов. Такую обратную связь называют внутренней, ее усчитывают при моделирова­нии усилительных элементов. Внешняя обратная связь, искусственно введен­ная и правильно построенная, вводится для изменения свойств усилителя в же­лаемом направлении, придания ему определенных функциональных особенно­стей и для улучшения основных показателей его работы. Далее, по умолчанию, речь будет идти о внешней обратной связи.

Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линей­ных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усили­тель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает от­дельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке пред­ставлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.

Модель усилительного каскада.

Усилительный каскад конструктивное звено усилителя — содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.

Один из вариантов транзисторного каскада для усиления пере­менного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа вклю­чен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база — эмиттер создается источником с ЭДС Еc и внутренним сопротивлением Rc источника. В цепи базы установлены резисторы R1и R2. Коллектор тран­зистора соединен с отрицательным зажимом источника Eк через резисторы Rк и Rф. Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С2 поступает в нагрузку Rн. Конденсатор Сф совместно с резистором образует -звено фильтра (положительную обратную связь — ПОС), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике Eк с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь — ООС) можно дополнительно включить RC-фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.

Тема 2.4. Электронные усилители

Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы . Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения.

Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания . Следовательно, усилитель представляет собой устройство , которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала .

Схема включения электронного усилителя

Источником входного сигнала усилителя может быть любой преобразователь электрической или неэлектрической величины в электрическую: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов, поступающих на вход усилителя, достаточно широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2 … 5 мВ при малой мощности. От микрофона на вход усилителя может поступать напряжение, не превышающее десятых – сотых долей милливольта. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее десятков – сотен вольт при мощности сигнала в единицы ватт.

Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой . В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в электрическую или неэлектрическую: телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах. Например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.

Электронный усилитель может быть однокаскадным, двухкаскадным или многокаскадным. В общем случае усилитель состоит из нескольких каскадов, к первому из которых подключают источник сигнала, а к выходу последнего – нагрузку. Необходимость в использовании нескольких каскадов обусловлена, в первую очередь, тем, что сигнал, передаваемый от источника к нагрузке предварительно необходимо усилить в тысячи – десятки тысяч и более раз. При использовании в усилителе в качестве активного элемента, например, биполярного транзистора с коэффициентом передачи тока базы 50 … 100, задача может быть решена только в том случае, если последовательно включить несколько каскадов усиления. Кроме этого часто возникает необходимость согласовывать выходное сопротивление источника сигнала со входным сопротивлением усилителя, либо выходное сопротивление усилителя с сопротивлением нагрузки.

Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.2.

В состав усилителя входят следующие элементы:

оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для усиления мощности сигнала и выделения ее в нагрузке (Н);

предоконечный каскад (ПОК),предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада. При большой величине мощности оконечного каскада ПОК должен обеспечивать мощность, достаточную для получения требуемой неискаженной выходной мощности усилителя. Если оконечный каскад является двухтактным, то предоконечный каскад выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала;

каскады предварительного усиления (ПрК) (их количество определяется с учетом обеспечения требуемого коэффициента усиления напряжения), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;

выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечного каскада, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;

входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;

— цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов (для указанных целей могут быть использованы разделенные цепи ООС по переменному и постоянному току). Цепи ООС могут охватывать или не охватывать выходное устройство, а также охватывать все или частъ каскадов предварительного усиления;

устройство безынерционной защиты (УБЗ) – для защиты транзисторов оконечного каскада усилителя от перегрузки;

источник питания и фильтры (ФП)в цепях питания каскадов предварительного усиления.

Классификация электронных усилителей

Эта статья частично или полностью основана на одной из версий статьи в Русской Википедии (или в другом проекте Фонда Викимедиа) и находится на начальном уровне проработки

Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов) традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Буквенные обозначения классов усиления могут дополнительно уточняться суффиксом, указывающим на режим согласования мощного каскада с источником сигнала (AB1, AB2 и т. п.) и с нагрузкой (F1, F2, F3). Устройства, совмещающие свойства двух «однобуквенных» классов, могут выделяться в особые классы, обозначаемые сочетанием двух букв (AB, BD, DE и устаревший BC).

Первая буквенная классификация, действующая по сей день (режимы А, B и С), сформировалась в 1920-е годы и была дополнена режимом, или классом, D в 1955 году. Начавшийся в 1960-е годы выпуск высокочастотных силовых транзисторов сделал возможным построение экономичных транзисторных усилителей радиочастот классов E и F. Последовательное усовершенствование транзисторных усилителей мощности звуковых частот класса B привело к разработке усилителей классов G и H. Единого реестра классов усиления не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква (например, S) может обозначать принципиально разные устройства. Схемы, известные в Европе и Японии как класс G, в США относятся к классу H, и наоборот [1] . Буква, широко используемая в одной области электроники (класс F с его производными F1, F2, F3 и т. д.), в другой области может считаться «свободной» [2] . Кроме того, есть «классы усилителей» — торговые марки компаний-производителей и стоящие за ними частные технические решения. Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие известны только по рекламе производителей.

Содержание

Традиционная классификация: А, B, С и D

В 1919 году инженер Bell Labs Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис [en] опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работе были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал в Wireless World первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А, B и C. В 1931 году американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике, а введённое было понятие режима BC не прижилось [3] [4] [5] [6] . В 1950-е годы классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились.

Формулировки стандарта IRE были составлены в терминах выбора управляющих напряжений на сетке лампы, обеспечивающего непрерывное (А) или прерывающееся (B и C) протекание анодного тока. В других отраслях электроники сложились иные, эквивалентные, формулировки: конструкторы радиоприёмных устройств оперировали понятием угла проводимости гармонического сигнала, конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока — выбором рабочей точки на передаточной (анодно-сеточной) или выходной (вольт-амперной) характеристике лампы.

В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и C близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада («режимом А называют такой режим работы усилительного элемента…» [7] ), понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).

Режим А

Class A amplifier principle RUS.png

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости 2Θc равен 360° [8] [9] .

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М. А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы. При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя [10] . В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим [11] [12] .

Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 % [13] ; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20 %, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили [14] . В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.

Режимы B и AB

Class B amplifier principle RUS crop.png

Class AB amplifier principle RUS crop.png

В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину.

Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости 2Θc такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.

Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5 % [15] , реального транзисторного каскада — примерно 72 %. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки Pмакс(Rн). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 Pмакс(Rн), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46 % от Pмакс(Rн), а КПД каскада уменьшается до 40 %. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться [16] .

Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B всегда устанавливается небольшой, но не нулевой, ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5…15 % от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10…100 мА на каждый транзистор [17] [18] . Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. При малых мгновенных значениях выходного напряжения (в транзисторных усилителях — несколько сотен мВ) такой каскад работает в режиме A, при бо́льших напряжениях одно из плеч закрывается и каскад переключается в режим B.

В современной литературе нет единого мнения о классификации таких двухтактных транзисторных каскадов. По мнению Джона Линдси Худа и Боба Корделла, их следует рассматривать как режим AB [19] [20] . По мнению Г. С. Цыкина, Дугласа Селфа и А. А. Данилова это режим B. С их точки зрения, полноценный режим AB начинается при существенно бо́льших токах покоя (и сопровождается меньшим уровнем переходных искажений) [21] [22] [23] .

Режим C

Class C amplifier principle RUS crop.png

В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°) [24] . В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы. Предельный теоретический КПД недонапряжённого усилителя в режиме C, так же как и в режиме B, равен 78,5 %, перенапряжённого — 100 % [15] . Из-за высоких нелинейных искажений усилители в режиме С, даже двухтактные, непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока). В резонансных усилителях радиопередатчиков они, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД. [24] .

В англоязычной литературе и недонапряжённый, и перенапряжённый режимы относят к «классическому», или «настоящему», режиму С (англ.  classic Class C, true Class C ). Современные усилители мощности радиочастот обычно работают в ином, «смешанном» режиме С (англ.  mixed-mode Class C ), который иногда выделяется в особый «режим СD». В течение одного периода транзистор такого усилителя последовательно проходит через четыре фазы — отсечки, нарастания коллекторного тока, насыщения и снижения тока, причём длительность активных фаз (нарастания и снижения тока) сопоставима с длительностью фаз отсечки и насыщения [25] .

Режим D

Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена Д. В. Агеевым (СССР, 1951) [26] и Алеком Ривзом [en] (Великобритания) [27] . В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику [26] . В 1964 году в Великобритании выпустили первые транзисторные УМЗЧ класса D, не имевшие коммерческого успеха, в 1974 и 1978 столь же безуспешные попытки предприняли Infinity и Sony [28] . Массовый выпуск усилителей этого класса стал возможен только после отладки производства силовых МДП-транзисторов, состоявшейся в первой половине 1980-х годов [29] .

В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов. В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами миллиОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %, в наиболее экономичных образцах 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности [30] . Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B [31] .

Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения [32] [33] .

Эволюция усилителей звуковой частоты: классы G, H, …

Максимальная мощность усилителя звуковой частоты, определяемая в том числе напряжением его питания, бывает востребована относительно редко. Бо́льшую часть времени усилитель воспроизводит сигналы относительно небольшой амплитуды. В усилителях классов B или AB это сопровождается высокими абсолютными потерями энергии при малом КПД (10—40 %). Чтобы уменьшить потери и повысить КПД, следует снизить напряжение питания — но усилитель с низким напряжением питания окажется неспособным воспроизводить редкие пиковые фрагменты входного сигнала. Решение этой дилеммы предложил в 1964 году инженер НАСА Мануэль Крамер [41] . По идее Крамера, усилитель класса B или AB следовало питать от источника напряжения с двумя или тремя комплектами шин питания. При воспроизведении сигналов малой амплитуды выходной каскад подключен к шинам с низким напряжением питания, а с ростом уровня сигнала он переключается на питание от шин с высоким напряжением [42] .

Серийный выпуск таких УМЗЧ начала в 1977 году компания Hitachi. Новинка получила маркетинговый ярлык «класса G», который прижился в японской и британской литературе и стал признанным дополнением традиционной классификации усилителей. Японские усилители класса G спросом не пользовались, а аналогичная конструкция Боба Карвера [en] , выпущенная в 1981 году, прижилась на американском рынке профессионального оборудования. Придуманное Карвером название «класс H» закрепилось в американской литературе, и некогда универсальная классификация распалась на региональные ниши — «американскую» и «англо-японскую» [43] . С течением времени американские авторы вернулись к «англо-японским» обозначением — именно их используют, например, Деннис Бонн (2012 [41] ) и Боб Корделл (2011 [44] ). Современное понятие «класса G» объединяет два подхода к переключению шин питания — ступенчатое и плавное переключение, и два подхода к схемотехнике выходного каскада — последовательное включение («внутренний» каскад собственно УМЗЧ вложен во «внешний» каскад управления шинами питания) и параллельное (два выходных каскада, «низковольтный» и «высоковольтный», подключены к нагрузке в параллель) [45] [46] .

Следующим этапом развития экономичных усилителей стал «европейский» класс H — усилители с плавно изменяющимся напряжением источника питания. При малых уровнях выходного сигнала усилитель подключен к «обычным» шинам с низким напряжением питания. При росте выходного напряжения напряжение на верхней (для положительной полуволны) или нижней (для отрицательной полуволны) шине питания увеличивается, поддерживая минимально необходимое падение напряжения на активном транзисторе. В простейшем варианте класса H используется конденсатор вольтодобавки, заряжаемый от основной шины источника питания, и подключаемый к выходным транзисторам по схеме «диодного ИЛИ». В более сложном варианте, применяемом в микросхемах автомобильных УМЗЧ, применяется встроенный преобразователь напряжения, накачивающий конденсаторы вольтодобавки до требуемых значений [47] . За классом Н последовали разнообразные схемы гибридов усилителей классов B и D. В этих конструкциях «грязный» усилитель класса D формирует напряжение на шинах питания «чистого» усилителя в классе B или AB (реже — класса H), подключенного к нагрузке. Варианты таких усилителей получили названия «гибридного класса D» [48] , «класса TD» или «следящего класса D» [49] , «класса A/H» [50] , «класса К» (от Корея) [51] и т. п. «Класс BD», напротив, не является гибридным — это всего лишь ранний вариант класса D с синхронной ШИМ [52] .

Эволюция радиочастотных усилителей: классы E, F, …

Схемотехника радиочастотных усилителей развивается в двух основных направлениях: повышение рабочей (несущей) частоты сигнала и повышение коэффициента полезного действия в уже освоенных частотных диапазонах. В 1985 году транзисторные усилители, работающие на относительно низких частотах, достигли КПД в 95-98 %, а уже на частоте в 30 МГц КПД снижался до 80 % [53] . К 2000 году то же значение КПД в 80 % стало нормой для диапазона 900 МГц [54] . На этих частотах задержка переключения транзистора становится сопоставимой с периодом несущей частоты, и грань между ключевыми режимами и режимами управляемого источника тока стирается. При этом не существует ни единой теории, описывающей процессы в сверхвысокочастотных мощных каскадах, ни единого метода анализа и оптимизации таких каскадов — даже давно известного каскада в смешанном режиме С [55] [56] .

В 1975 году попытку такого анализа провели отец и сын Натан и Алан Сокал. Взяв за основу хорошо известный ключевой каскад, они поставили задачу минимизации потерь во время переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Сокал сформулировали принцип работы экономичного усилителя мощности, названного ими «классом E»: при выключении транзистора ток через него должен уменьшиться до нуля до того, как начнёт нарастать коллекторное напряжение, при включении — напряжение на коллекторе должно упасть до нуля до того, как начнёт нарастать ток. Сочетание высокого напряжения и большого тока недопустимы. Таким образом, утверждал Натан Сокал, возможно снизить потери с 35 % до 15 % потребляемой мощности даже на частотах, на которых задержка включения транзистора составляет 30 % периода несущей частоты [57] .

Альтернативный подход к снижению потерь — спектральное (гармоническое) разделение токов и напряжений в выходном каскаде. Нагрузка такого усилителя состоит из нескольких резонансных контуров, настроенных на пропускание чётных гармоник несущей частоты и на подавление нечётных гармоник. В идеале форма тока такого каскада содержит, помимо несущей частоты, только её чётные гармоники, а форма напряжения на коллекторе или стоке мощного транзистора — только нечётные. В реальных усилителях используется два или три контура, поэтому формы токов и напряжений существенно отличаются от идеальных. Усилители такого рода обычно выделяются в особый класс F, но в литературе также встречаются термины «экономичный класс С», «оптимальный класс С», «мультирезонансный класс С», HRA (англ.  harmonic reactance amlifier ), HCA (англ.  harmonic control amplifier ) и даже «класс Е» (в смысле, отличном от класса Е по Сокалу). В зависимости от конфигурации контуров и выбора подавляемых и пропускаемых гармоник внутри класса F выделяют подклассы F1, F2, F3, F −1 («обратный», или «инверсный», F) и т. п. [58] [59] [60] .

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *