Схемы усилителей мощности. Усилители мощности: типы, классы и принципы работы

Что такое усилитель мощности и как он работает. Какие бывают типы и классы усилителей мощности. Каковы основные характеристики и параметры усилителей мощности. Где применяются усилители мощности.

Что такое усилитель мощности и его основные функции

Усилитель мощности — это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала до уровня, необходимого для работы оконечного устройства (нагрузки). Основные функции усилителя мощности:

• Усиление входного сигнала по мощности
• Согласование источника сигнала с нагрузкой
• Обеспечение требуемой выходной мощности для работы нагрузки
• Минимизация искажений сигнала при усилении

Усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадных усилительных систем и работают в режиме больших сигналов. Их характерной особенностью является высокий КПД и способность отдавать в нагрузку значительную мощность.

Основные параметры и характеристики усилителей мощности

Ключевыми параметрами, характеризующими усилители мощности, являются:

• Выходная мощность — максимальная мощность, которую усилитель может отдать в нагрузку
• Коэффициент усиления по мощности — отношение выходной мощности к входной
• КПД — отношение выходной мощности к потребляемой от источника питания
• Коэффициент нелинейных искажений — характеризует степень искажения формы сигнала
• Диапазон рабочих частот
• Входное и выходное сопротивление

Коэффициент усиления по мощности обычно выражается в децибелах:

K_P (дБ) = 10 log (P_вых / P_вх)

где P_вых — выходная мощность, P_вх — входная мощность.

КПД усилителя мощности определяется как:

η = P_вых / P_потр

где P_потр — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Типы усилителей мощности

Усилители мощности можно классифицировать по различным признакам:

По диапазону частот:

• Усилители низкой частоты (УНЧ) — для звукового диапазона частот (20 Гц — 20 кГц)
• Усилители высокой частоты (УВЧ) — для радиочастотного диапазона (от сотен кГц до сотен МГц)
• СВЧ усилители — для диапазона сверхвысоких частот (от сотен МГц до десятков ГГц)

По типу активных элементов:

• Транзисторные усилители (на биполярных или полевых транзисторах)
• Ламповые усилители (на электронных лампах)
• Интегральные усилители (на специализированных микросхемах)

По режиму работы:

• Однотактные усилители
• Двухтактные усилители
• Мостовые усилители

По виду нагрузки:

• Усилители для активной нагрузки
• Усилители для реактивной нагрузки

Выбор типа усилителя зависит от конкретного применения, требуемых характеристик и условий эксплуатации.

Классы усилителей мощности

Важной характеристикой усилителей мощности является их класс, определяющий режим работы выходных транзисторов. Основные классы усилителей:

Класс A

В усилителях класса A выходной транзистор открыт на протяжении всего периода входного сигнала (угол проводимости 360°). Это обеспечивает минимальные искажения, но низкий КПД (не более 50%).

Класс B

В усилителях класса B выходные транзисторы открыты в течение половины периода входного сигнала (угол проводимости 180°). Это повышает КПД до 70-80%, но приводит к появлению нелинейных искажений.

Класс AB

Промежуточный вариант между классами A и B. Угол проводимости составляет 180-360°. Обеспечивает компромисс между КПД и уровнем искажений.

Класс C

Угол проводимости менее 180°. Обеспечивает высокий КПД (до 90%), но значительные нелинейные искажения. Применяется в радиопередатчиках.

Класс D

Импульсный усилитель с ШИМ-модуляцией. Обеспечивает высокий КПД (до 95%) при низких искажениях. Широко применяется в аудиотехнике.

Также существуют классы E, F, G, H и другие, оптимизированные для специфических применений.

Принцип работы усилителя мощности

Принцип работы усилителя мощности заключается в преобразовании энергии источника питания в энергию усиленного сигнала. Рассмотрим упрощенную схему однотактного усилителя мощности на биполярном транзисторе:

1. Входной сигнал подается на базу транзистора через разделительный конденсатор.
2. Транзистор работает в активном режиме, его коллекторный ток пропорционален входному напряжению.
3. Изменение коллекторного тока вызывает изменение напряжения на коллекторе.
4. Усиленный сигнал снимается с коллектора через разделительный конденсатор.
5. Нагрузка (например, динамик) подключается к выходу усилителя.

Для увеличения выходной мощности и КПД применяются двухтактные и мостовые схемы включения транзисторов.

Особенности проектирования усилителей мощности

При разработке усилителей мощности необходимо учитывать следующие аспекты:

• Выбор оптимального класса усиления
• Обеспечение требуемой выходной мощности
• Согласование входного и выходного сопротивлений
• Минимизация нелинейных и частотных искажений
• Обеспечение температурной стабильности
• Защита от перегрузок и короткого замыкания
• Эффективное охлаждение силовых элементов

Важным этапом проектирования является выбор активных элементов (транзисторов) с подходящими характеристиками. Для мощных усилителей часто применяются составные транзисторы Дарлингтона.

Применение усилителей мощности

Усилители мощности широко используются в различных областях техники:

Аудиотехника:

• Усилители для домашних аудиосистем
• Профессиональное звуковое оборудование
• Автомобильные аудиосистемы

Радиотехника:

• Передатчики радиостанций
• Усилители мощности в радиолокации
• Выходные каскады радиопередающих устройств

Промышленное применение:

• Ультразвуковые генераторы
• Индукционный нагрев
• Сварочное оборудование

Телекоммуникации:

• Усилители базовых станций сотовой связи
• Усилители для спутниковых систем связи

Выбор конкретного типа усилителя мощности зависит от требований к выходной мощности, рабочему диапазону частот, КПД и уровню искажений в каждом конкретном применении.

Современные тенденции в разработке усилителей мощности

Основные направления развития усилителей мощности включают:

• Повышение энергоэффективности
• Уменьшение габаритов и веса
• Расширение полосы рабочих частот
• Улучшение линейности характеристик
• Интеграцию дополнительных функций (ЦАП, процессоры эффектов и т.д.)
• Применение новых материалов (GaN, SiC транзисторы)

Активно развиваются цифровые усилители класса D, позволяющие достичь высокого КПД при низком уровне искажений. Для СВЧ диапазона перспективны усилители на основе GaN транзисторов.

Методы измерения параметров усилителей мощности

Для оценки характеристик усилителей мощности применяются следующие методы измерений:

• Измерение выходной мощности с помощью ваттметра
• Определение КПД путем измерения входной и выходной мощности
• Измерение коэффициента нелинейных искажений с помощью анализатора спектра
• Снятие амплитудно-частотной характеристики
• Измерение входного и выходного сопротивления
• Оценка динамического диапазона

Важно проводить измерения в стандартизованных условиях, соблюдая рекомендации производителя усилителя.

Проблемы и их решения при эксплуатации усилителей мощности

При работе с усилителями мощности могут возникать следующие проблемы:

• Перегрев и выход из строя выходных транзисторов
• Возникновение самовозбуждения
• Повышенный уровень шума и помех
• Искажения сигнала при больших уровнях мощности

Для решения этих проблем применяются следующие методы:

• Использование эффективных систем охлаждения (радиаторы, вентиляторы)
• Применение цепей температурной стабилизации
• Оптимизация цепей обратной связи
• Экранирование чувствительных цепей
• Использование схем защиты от перегрузки и короткого замыкания

Правильный выбор компонентов и тщательная разработка печатной платы также помогают избежать многих проблем при эксплуатации усилителей мощности.

Усилители мощности: схемы, мощные выходные усилители

Пример HTML-страницы

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_н при заданном сопротивлении нагрузки R_H. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

В противоположность устройствам силовой электроники при проектировании устройств информативной (информационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и получить выходные сигналы, содержащие ту или иную информацию о входных.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В качестве примера можно назвать устройства, определяющие, в какой момент времени входной сигнал принимает максимальное значение. В устройствах информативной электроники, как правило, стремятся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. В устройствах силовой электроники такую задачу в соответствии с изложенным нельзя ставить в принципе.

Реальное устройство может содержать черты как силовой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отметить, что функции устройств информативной электроники все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микропроцессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.

На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия усилителя мощности.

Другой важной проблемой является уменьшение габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса «А», а максимально возможный КПД — в режиме классов «В» или «АВ».

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса «А», а вторые — в режиме классов «В» или «АВ». Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Р_н при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

Тогда максимально возможная мощность нагрузки Р_н max определится выражением Р_н max = ( U_m / √2 )² · 1 / R н = U_m² / ( 2 · R н ) = E² / ( 8 · R н )

Откуда U_m = E / 2 E = 2 · √ ( Р_н max · R н · 2 )

Если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласования усилителя и нагрузки можно использовать трансформатор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.

Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с помощью трансформатора (рис. 2.39).

Через W₁ и W₂ обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через u_вых и R_вых — соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.40.

В ней через R′_н обозначено приведенное сопротивление нагрузки R′_н = R_н / n 2 где n — коэффициент трансформации (n = W₂ / W₁ ).

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при R_вых = R′_н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

n опт = √ ( R_н / R_вых )

Выходные усилители мощности | Основы электроакустики

Выходные усилители мощности

Выходные усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадного усилителя и предназначены для обеспечения заданной мощности нагрузки РН при заданном сопротивлении нагрузки RН, как правило, низкоомной. Получение на выходе усилителя большой мощности предполагает работу его транзисторов при больших значениях токов и напряжений. Отсюда следует, что одним из основных параметров усилителя становится его КПД. К тому же переменные составляющие токов и напряжений в этом случае соизмеримы с постоянными составляющими сигналов. На свойства усилителя сильно влияют связь параметров транзистора с режимами его работы и нелинейность характеристик. В выходных усилителях мощности должны использоваться транзисторные каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые цепи ООС должны быть только по напряжению. Это обусловило применение в усилителях мощности только двухтактных схем усиления , обеспечивающих работу транзисторов в режимах класса В и АВ. Усилители, работающих в режиме класса А (выходной транзистор всегда в открытом состоянии), имеют малое КПД, поэтому при больших мощностях сигналов такие схемы используется редко.На рис. 11.17 показана двухтактная схема усилителя мощности, работающая в режиме класса В. Усилитель, собранный на двух биполярных транзисторах различного типа проводимости, имеющих одинаковые параметры, получил название комплементарный усилитель. Транзистор VT1 открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор VT2 – при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторный ток отсутствует и мощность, рассеиваемая на транзисторах, близка к нулю. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт, максимально возможный коэффициент полезного действия схемы составляет 78%

Рис. 11.17. Двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме класса В 

Этой схеме присуще следующее свойство: выходной сигнал повторяет входной с разницей на величину падения напряжения UБЭ, на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале наоборот. Для синусоидального входного сигнала выходной будет таким, как показано на рис. 11. 11, а. Такое искажение сигнала называется переходным искажением. Для улучшения формы сигнала нужно немного сместить двухтактный каскад в состояние проводимости, как показано на рис.11.18.

Рис.11.18. Двухтактный усилитель, работающий в режиме класса АВ 

Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря чему этому напряжение на базе VT1 превышает входное напряжение на величину напряжения на диоде, а напряжение на базе VT2 на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. При нулевом входном сигнале оба транзистора немного приоткрыты, их рабочие точки находятся в начале линейного участка входных характеристик (рис. 11.9). Резистор R выбран так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала. В этой схеме несколько увеличивается мощность, рассеиваемая на транзисторах, и уменьшается КПД. Для улучшения параметров схемы часто используют двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис. 11.19). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах VT1 и VT2. Поскольку напряжение на нагрузке RН примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

Рис.11.19. Усилитель мощности с ОУ 

         Рассмотренный выше усилитель имеет один серьезный недостаток: он не обладает температурной стабильностью. При нагревании выходных транзисторов (они нагреваются, так как рассеивают мощность), напряжение uКЭ начинает убывать, а коллекторный ток покоя — возрастать. Выделяющееся при этом дополнительное тепло усугубляет положение и повышает вероятность того, что в схеме получится неконтролируемая тепловая положительная обратная связь (эта вероятность зависит от ряда факторов: насколько велик радиатор для отвода тепла, совпадает ли температура диодов с температурой транзисторов и т. д.). Для исключения этого эффекта используют схему с параметрической температурной стабилизацией режима (рис. 11.20). Для примера здесь показан случай, когда входной сигнал снимается с коллектора предшествующего каскада, резистор выполняет двойную функцию: он является коллекторным резистором транзистора VT1 и формирует ток для смещения диодов и смещающего резистора в основной двухтактной схеме. Резисторы R3 и R4 обычно имеют сопротивление несколько ом и ниже, они уменьшают влияние критического смещения тока покоя: напряжение между базами выходных транзисторов должно быть немного больше, чем удвоенное падение напряжения на диоде, дополнительное падение напряжения обеспечивает регулируемый резистор смещения R2 (иногда его заменяют еще одним диодом).

Рис.11.20. Усилитель с температурной параметрической стабилизацией режима 

Падение напряжения на резисторах R3 и R4 составляют несколько десятых долей вольта, благодаря этому температурное изменение напряжения UБЭ не приводит к быстрому возрастанию тока (чем больше падение напряжения на R3 и R4, тем менее чувствителен к температуре усилитель) и схема работает стабильно. Стабильность увеличивается, если диоды имеют тепловой контакт с выходными транзисторами (размещены на их корпусе). Еще одно преимущество схемы состоит в том, что регулировка тока покоя позволит управлять величиной переходных искажений. При выборе тока покоя следует найти компромисс между уменьшением искажений и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя. Составной транзистор. Если соединить транзисторы, как показано на рис. 11.21, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов.

Рис.11.21. Составной транзистор 

 Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. Для улучшения параметров схемы между базой и эмиттером транзисторов включают резистор R, который предотвращает смещение транзистора VT2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление резистора выбирают таким, чтобы токи утечки создавали на нем падение напряжения, не превышающее падение на диоде в предыдущей схеме, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора VT2. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном составном транзисторе.Промышленность выпускает составные транзисторы в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор.

 

Усилитель мощности

— Как работает усилитель мощности?

• Задачи проектирования

Войти

Добро пожаловать! Войдите в свою учетную запись

ваше имя пользователя

ваш пароль

Забыли пароль?

Создать учетную запись

Политика конфиденциальности

Регистрация

Добро пожаловать!Зарегистрируйте аккаунт

ваш адрес электронной почты

ваше имя пользователя

Пароль будет отправлен вам по электронной почте.

Политика конфиденциальности

Восстановление пароля

Восстановить пароль

ваш адрес электронной почты

Поиск

Изменено: 9 февраля 2021 г.

Статьи категории

Содержание

Что такое усилитель мощности

Электронный усилитель, предназначенный для получения сигнала более высокой амплитуды из заданного входного сигнала, называется усилитель мощности. Усилители мощности обычно используются в таких приложениях, как головные телефоны, головные телефоны, радиопередатчики и т. д. Чтобы обеспечить требуемое усиление, вход усилителя мощности должен быть увеличен до определенного уровня. Усилители мощности обычно используются в конце проекта, хотя другие усилители, такие как усилители напряжения/тока, предназначены для использования непосредственно для управления нагрузками.

Цепь усилителя мощности

Как мы упоминали выше, усилитель мощности имеет ограничение входного сигнала. Поэтому мы предварительно усиливаем исходный сигнал с помощью усилителей тока или напряжения, не подключая его напрямую к усилителю мощности. Этот метод изменяет входной сигнал таким образом, чтобы усилитель мощности мог нормально функционировать. На приведенной ниже диаграмме показано, как усилитель мощности встроен в конструкцию аудиоусилителя.

Блок-схема усилителя мощности

На приведенной выше блок-схеме в качестве источника входного сигнала используется микрофон. Поскольку величина входного сигнала с микрофона недостаточна, сигнал необходимо предварительно усилить. Поэтому величина тока и напряжения сигнала несколько увеличиваются. Прежде чем сигнал достигнет усилителя мощности, он подвергается эстетической настройке с помощью схемы регуляторов тембра и громкости. Наконец, выход усилителя мощности подключается к динамику.

Коэффициент усиления усилителя мощности

Коэффициент усиления усилителя

Связь между входным и выходным сигналами в усилителе мощности называется коэффициентом усиления усилителя. Это основная мера того, насколько усилитель усиливает данный входной сигнал. Его также называют отношением мощности входного сигнала к мощности выходного сигнала. Усиление усилителя не имеет единиц измерения, но для этого используется общий символ (A). Обычно усиление выражается в децибелах, дБ

Коэффициент усиления усилителя мощности (дБ) = 10 Log 10 (выходная мощность / входная мощность)

Где

Входная мощность = Vin * Iin и выходная мощность = Vout * Iout

Идеальная модель усилителя

Идеальный усилитель проходит входной сигнал, который подается через выход неискаженным образом, увеличивая сигнал без какой-либо задержки. Обычно идеальный усилитель сигнала будет иметь три основных свойства, общая модель усилителя, также известная как модель идеального усилителя, может использоваться для представления следующих трех свойств независимо от сложности схемы.

• Входное сопротивление (Rin)
• Выходное сопротивление (Rout)
• Коэффициент усиления (A)

Эффективность усилителя

Эффективность усилителя представляет собой отношение между мощностью, подаваемой на нагрузку, и мощностью, потребляемой от источника.

Эффективность усилителя (η) = Pout / Pin

Где,

Входная мощность = Vin * Iin и выходная мощность = Vout * Iout

Типы усилителей мощности

• Цифровой усилитель мощности

Цифровые усилители мощности в основном используются для усиления мощности сигналов с широтно-импульсной модуляцией, и их можно увидеть в силовых электронных компонентах, таких как приводы двигателей. Они усиливают входной сигнал, проходящий через систему микроконтроллера, и подают усиленный сигнал на двигатель постоянного тока.

Обычно аналоговый сигнал в цифровых усилителях мощности кодируется в виде последовательности импульсов и напрямую не обрабатывается, а восстанавливается на выходе с помощью полосового фильтра. Вышеприведенный принцип известен как класс S из-за дискретизации амплитуды сигнала. Цифровые усилители мощности широко используются в приложениях звуковых частот, и теперь их можно увидеть и в микроволновых частотах.

• Усилитель мощности MOSFET

MOSFET-транзисторы также известны как полевые транзисторы на основе оксидов металлов и полупроводников, и они обычно используются в приложениях с линейным усилением слабого сигнала. Поскольку в этих приложениях величина входного импеданса очень велика, их можно легко сместить. Чтобы создать линейное усиление, полевой МОП-транзистор должен работать в области насыщения, и он должен работать со смещением вокруг централизованной точки постоянной добротности.

• Микроволновый усилитель мощности

Эти усилители мощности состоят из активных элементов с пассивными цепями линии передачи для критического функционирования в системах и конструкциях, связанных с микроволновым излучением. Микроволновые усилители мощности обычно используются в таких приложениях, как антенны, ограничительные диоды, усилители мощности на основе MMIC и т. д.

• Транзисторный усилитель мощности

В этом усилителе мощности для усиления сигнала используется силовой транзистор. Магнитофоны, системы громкой связи, радио- и телеприемники и другие электронные устройства используют в своей схемотехнике транзисторные усилители мощности.

• Усилитель высокой мощности

Чтобы усилить слабый сигнал до значительного уровня, мы используем мощный усилитель. Это нелинейное устройство, которое используется в приложениях, в основном в приложениях с высокой выходной мощностью.

• Многоканальный усилитель мощности

Усилители такого типа создают копии одного и того же входного сигнала с одинаковыми значениями, распределенными по нескольким выходным каналам.

Классы усилителей мощности

Схема усилителя мощности может быть разработана разными способами; следовательно, характеристики каждой схемы будут отличаться друг от друга. Чтобы различать поведение цепей усилителей мощности, вводятся классы усилителей мощности. Они названы в соответствии с буквами английского алфавита, что позволяет легко идентифицировать метод работы. Есть в основном два класса для категорий. Это категории A, B, AB или C, которые обозначают усилители мощности, предназначенные для усиления аналоговых сигналов, и категории, такие как D, E, F, которые обозначают усилители мощности, предназначенные для усиления цифровых сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Обычно наблюдаемыми классами усилителей мощности являются класс A, класс B, класс AB и класс C. Они в основном используются в приложениях, которые используются в схемах аудиоусилителей.

Классификация усилителей мощности на основе частот

При рассмотрении частот усилители мощности можно разделить на две категории следующим образом:

• Аудиоусилители мощности

Этот тип усилителя разработан для увеличения величины мощности более слабого входного аудиосигнала на большую величину. Усилитель мощности звука можно увидеть в таких приложениях, как телевизоры, мобильные телефоны, где используется схема возбуждения динамика, а выходная мощность усилителя мощности звука варьируется от нескольких милливатт до тысяч ватт.

• Радиочастотные усилители мощности

Усилители этого типа используются в таких приложениях, как FM-вещание, и им требуются антенны с входными сигналами мощностью в несколько тысяч киловатт. Вышеупомянутые методы беспроводной передачи требуют передачи модулированных сигналов на большие расстояния по воздуху. Эти сигналы передаются через антенны, и дальность передачи сигнала зависит от мощности входных сигналов, поступающих на антенну. Поэтому мы используем усилители мощности радиочастоты, чтобы получить большую величину мощности модулированного сигнала, достаточную для хорошей передачи сигнала.

Классификация на основе режима работы

При рассмотрении режима работы усилителя мощности мы можем разделить его на три категории. Они следующие.

• Усилитель мощности класса A. Усилитель мощности класса A имеет коллекторный ток, протекающий каждый раз в его коллекторе при рассмотрении полного цикла входного сигнала. КПД этого класса составляет около 40%, но он имеет хорошее воспроизведение сигнала и хорошую линейность.
• Усилитель мощности класса B — в усилителе мощности класса B ток на коллекторе протекает только в положительном полупериоде входного сигнала. Максимальная эффективность, достигнутая этим классом, составляет около 70%.
• Усилитель мощности класса C. В усилителе мощности класса C ток на коллекторе протекает меньше половины периода входного сигнала. Это класс с самой высокой эффективностью, но воспроизведение сигнала не очень хорошее по сравнению с другими категориями.
• Усилитель мощности класса AB. Чтобы получить преимущества как класса A, так и класса B, мы добавляем эти классы и разрабатываем еще один класс усилителя мощности, называемый классом AB. Эффективность этого класса составляет от 40% до 70%, и это обеспечивает лучшее воспроизведение сигнала, чем класс B.

Усилитель мощности класса AB

Михал

Инженер электроники и телекоммуникаций с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.

Английский

Обзор классов усилителей мощности

Усилители мощности являются важным компонентом огромного количества устройств, от бытовой электроники до мобильных устройств и многих других систем. Диапазон частот, который может потребоваться усилителям мощности, должен поддерживать диапазон частот от аудио до высоких гигагерц, с широким диапазоном значений усиления и мощности. Вместо схемы дискретного усилителя с одним транзистором разработчики могут выбрать ИС усилителя мощности, обеспечивающие высокоточное усиление в аналоговых системах.

Существует четкое различие между конфигурацией и работой выходных каскадов различных усилителей мощности, и выбор усилителей мощности может быть более сложным, чем согласование выходной мощности и коэффициента усиления с вашими характеристиками. Классы усилителей мощности относятся к общим рабочим характеристикам различных схем усилителей мощности, а не к конкретной схеме или топологии. Убедитесь, что вы нашли время, чтобы понять классы усилителей мощности при выборе компонентов для использования в аналоговой системе.

Классы усилителей мощности

Все усилители мощности предназначены для увеличения мощности входного сигнала путем подачи этой мощности от какого-либо внешнего источника. Выходная мощность усилителя должна быть достаточной для управления нагрузкой, для которой он предназначен, на предполагаемой рабочей частоте (которая может быть на постоянном токе). По сравнению с усилителями напряжения/тока усилитель мощности предназначен для непосредственного управления нагрузками и обычно используется в качестве одного из конечных блоков в сигнальной цепи. Этап предварительного усиления часто используется во многих приложениях, в которых используется усилитель напряжения/тока, чтобы убедиться, что входной сигнал, подаваемый на усилитель мощности, имеет требуемую мощность, ширину полосы и отношение сигнал/шум (SNR).

Проще говоря, все современные усилители мощности построены по схеме модулятора. Входной сигнал используется для модуляции мощности, потребляемой от внешнего источника питания, а поддерживающая схема предназначена для регулирования того, как эта мощность подается на нагрузку.

Не все конструкции усилителей мощности одинаковы, и перед выбором схемы усилителя для вашего конкретного приложения важно знать разницу между различными классами усилителей мощности. Различные классы усилителей мощности выбираются на основе сигналов, которые они используют для получения, и метода управления схемой усилителя.

Аналоговые усилители мощности

Классы усилителей часто делятся на две основные категории: аналоговые усилители мощности и цифровые (ШИМ) усилители мощности. Усилители мощности первой категории работают, контролируя угол проводимости выходного сигнала относительно входного сигнала. Угол проводимости можно рассматривать как длительность выходного сигнала, в течение которого транзистор усилителя мощности находится в состоянии ВКЛ. Например, если транзистор открыт на протяжении всей операции, угол проводимости составляет 360°. В эту категорию попадают усилители классов A, B, AB и C.

Усилители мощности с PWN-управлением

Вторая категория усилителей мощности использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) с цифровой схемой драйвера для переключения между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ. Эти усилители мощности часто называют переключающими усилителями; классы D, F, G, I, S и T попадают в эту категорию. Классы ШИМ-усилителей не ограничиваются перечисленными ниже, и существуют другие классы усилителей, которые по существу выполняют ту же функцию с небольшими отличиями в конфигурации.

Аналоговые сигналы	ШИМ-управление
Класс А	Класс D
Класс АВ	Класс F
Класс В	Класс G
Класс С	Класс I
	Класс S

Класс A

Усилители мощности класса A разработаны с использованием только одного переключающего транзистора. Тип транзистора (BJT, IGBT, FET) зависит от предполагаемого конечного применения. Это линейные усилители с высоким коэффициентом усиления и углом проводимости 360°. Результатом является высокоэффективное усиление высокочастотных сигналов, поскольку уровень искажения сигнала очень низок, пока транзистор работает в линейном диапазоне. Обратной стороной является снижение эффективности из-за перегрева (потерь проводимости). Поскольку транзистор всегда находится во включенном состоянии, даже при отсутствии входного сигнала выделяется значительное количество тепла, и КПД может быть низким.

Класс B

Усилители мощности класса B пытаются решить проблему нагрева в усилителях класса A за счет использования двух комплементарных транзисторов для усиления всей формы сигнала. Угол проводимости для каждого транзистора составляет 180°, т. е. оба остаются во включенном состоянии в течение половины длительности входного сигнала. Один транзистор проводит в течение положительного полупериода аналогового сигнала, а другой транзистор проводит в течение отрицательного полупериода.

Теоретически усилители класса B могут иметь КПД 75 %, однако из-за наложения двух половин формы сигнала имеется зона кроссовера, в которой присутствуют незначительные искажения. Это возникает из-за мертвой зоны, возникающей ниже порога выпрямления в транзисторе.

Кроссоверное искажение возникает вблизи 0 В, как измерено в форме выходного сигнала.

Класс AB

Как следует из названия, эта конфигурация представляет собой смесь усилителей мощности классов A и B. Он решает проблему снижения эффективности из-за перегрева. Он одновременно уменьшает кроссоверные искажения, присутствующие в усилителях мощности класса B, за счет использования комбинации диодов и резисторов для обеспечения напряжения смещения. КПД усилителя класса AB обычно составляет от 50% до 60%.

Класс C

Усилители класса C имеют самый высокий КПД, но самый низкий диапазон линейности по сравнению с другими классами усилителей мощности, упомянутыми выше. Угол проводимости в усилителях мощности класса C меньше 90°. Следовательно, эти усилители не подходят для усиления звука, поскольку меньший угол проводимости приводит к большему искажению. Усилители класса C имеют настроенную нагрузку, которая усиливает одну частоту и подавляет другие. Это делает усилители класса C подходящими для таких приложений, как усиление высокочастотного радиосигнала и генераторы.

Просматривая переход от усилителей класса A к классу C, мы видим постоянное уменьшение угла проводимости этих усилителей, как показано ниже.

Класс D

Это нелинейный усилитель, использующий ШИМ-переключение. Теоретически КПД может достигать 100%. Усилителям класса D требуются силовые трансформаторы гораздо меньшего размера, чем другим усилителям, потому что ШИМ позволяет усиливать на значительно более высоких частотах. Они идеально подходят для приложений, требующих большого усиления мощности в небольшом корпусе, например, в усилителях мощности для беспроводных протоколов. Улучшенной альтернативой усилителям класса D является класс T, и эти два класса усилителей часто сравнивают друг с другом.

Класс F

В усилителях класса F используется набор гармонических резонаторов (параллельные LC-цепи высокой добротности) для увеличения выходной мощности, подаваемой на нагрузку, и обеспечения высокой эффективности. Последовательность контуров гармонического резонатора позволяет входному модулирующему сигналу генерировать гармонические составляющие с частотой, кратной некоторой основной частоте. Чем больше гармонических составляющих добавляется в цепь выходного сигнала усилителя, тем выше эффективность схемы усилителя (теоретически не менее 90 %), а выходной сигнал приближается к истинному прямоугольному сигналу из-за наложения этих гармонических составляющих.

Класс G

Этот класс усилителей мощности является усовершенствованием по сравнению с обычным усилителем класса AB. Усилители класса G автоматически переключаются между многочисленными шинами питания при различных напряжениях при изменении входного сигнала. Усилители класса H также являются разновидностью усилителей класса G, за исключением того, что они используют бесступенчатую аналоговую шину питания. Использование непрерывного переключения снижает потери мощности в канале проводимости транзистора.

Класс I

Усилители Класса I имеют два набора комплементарных выходных переключающих цепей, объединенных в параллельную двухтактную конфигурацию, аналогичную мостовой схеме. Основная концепция такая же, как и в усилителе класса B: одно устройство активно во время положительного полупериода, а другое активно во время отрицательного полупериода. В точке перехода входного сигнала через ноль переключающие устройства включаются и выключаются одновременно, когда рабочий цикл драйвера ШИМ составляет 50%.

Класс S

Усилители мощности класса S аналогичны усилителям мощности класса D. Сигма-дельта модулятор используется для преобразования входного аналогового сигнала в прямоугольную волну, подобно операционному усилителю с направляющими или триггеру Шмитта. Затем эти цифровые импульсы усиливаются до желаемого уровня выходной мощности. Когда этот сигнал передается на выход, высокодобротный полосовой фильтр затем используется для демодуляции на желаемой частоте, что в идеале оставляет после себя одну частотную составляющую, сконцентрированную в резонансе полосового фильтра.

Выбор топологии усилителя мощности

Описанные выше усилители мощности могут быть сконструированы из дискретных компонентов или могут быть доступны в виде интегральных схем в компактном корпусе. Некоторые компоненты доступны в виде модулей, которые должны быть установлены вне платы и подключены к другим цепям с помощью кабелей. Некоторые из основных технических характеристик включают:

• Рабочее напряжение и ток, которые вместе дают пиковую/среднюю мощность, подаваемую усилителем
• Уровень усиления, который будет указан в дБ
• Линейный диапазон и динамический диапазон; это не одно и то же в реальных усилителях
• Полное гармоническое искажение (THD), определяющее отношение мощности генерируемых гармоник к мощности на основной частоте
• Полоса пропускания, которая обычно показывает, как усиление и диапазоны (линейные и динамические) изменяются в зависимости от частоты входного сигнала

При покупке готовых интегральных схем некоторые производители полупроводников включают дополнительные меры безопасности, встроенные в упаковку. К ним относятся определение температуры для отключения при перегреве, ограничение тока и защита от электростатического разряда. Дополнительные меры, не включенные в пакет, будут касаться передачи мощности на нагрузку.

Последнее замечание касается линейного диапазона усилителей мощности. Хотя усилители мощности могут иметь большое усиление, они часто работают очень близко к насыщению, поэтому может возникать некоторая генерация гармоник. Обычно желательно передавать максимальную мощность на нагрузку, что требует согласования импеданса. Для нелинейных нагрузок необходимо использовать анализ нагрузки и нагрузки для реализации согласования импедансов, поскольку прямое согласование сопряженных импедансов не будет соответствовать требуемой мощности в сигнальной цепи.

Когда вы будете готовы создать схему усилителя мощности и приступить к компоновке печатной платы, обязательно используйте OrCAD, лучшее в отрасли программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат от Cadence.