Проектирование усилителя мощности

Проектирование усилителя мощности

Усилители мощности представляют собой выходные каскады многокаскадных усилителей. Нагрузка усилителя мощности может достигать десятков Ом, а мощность, которая отдается в нагрузку, - сотен Ватт. Процесс проектирования усилителя мощности можно разделить на пять основных этапа:

1. Расчет оконечного каскада.
2. Выбор входного транзистора.
3. Расчет входных элементов.
4. Расчет элементов отрицательной обратной связи.
5. Расчет мощности элементов схемы.

В случае малой выходной мощности (менее 100 мВт) в качестве оконечного каскада используется резистивный однотактный каскад. Если необходима мощность более 100 мВт, то оконечные каскады выполняются по двухтактной схеме, которая предоставляет возможность для транзистора функционировать в режиме В или АВ с высоким коэффициентом полезного действия. Если в оконечном каскаде используются мощные транзисторы, то к схеме усилителя предъявляются некоторые требования, цель которых заключается в защите транзисторов от короткого замыкания нагрузки, термической стабилизации тока покоя транзистора, стабилизации напряжения на транзисторе, подборе транзисторов оконечного каскада (в некоторых случаях).

После расчета оконечного каскада, в процессе проектирования усилителя мощности, приступают к выбору схемы каскада предварительного усиления. Наиболее широко применяют в качестве каскада предварительного усиления является резисторный каскад, который строится на основе биполярных транзисторов, подключаемые по схеме с общим эмиттером. Также относительно часто используют полевые транзисторы, которые включаются по схеме с общим истоком. Коэффициент усиления предварительного резисторного каскада должен быть максимально возможным, но при этом потребляемая мощность, а также частотные линейные и нелинейные искажения были минимальными и не оказывали воздействия на основные показатели усилителя. Входной каскад должен обеспечивать возможность согласования между источником сигнала и усилителем. Выбирается выходной каскад в зависимости от параметров схемы.

В усилителях мощности, для уменьшения нелинейных искажений используется отрицательная обратная связь. Данная связь также способна обеспечивать небольшое сопротивление на выходе, способствующее постоянству выходного напряжения, в случае изменения сопротивления нагрузки. Если усилитель функционирует на постоянную нагрузку в виде громкоговорителя, то небольшое значение выходного сопротивления является причиной улучшения качества воспроизведения (демпфирование колебаний).

Проектирование широкополосных и импульсных усилителей

Основным требованием к широкополосному усилителю является обеспечение равномерного усиления сигнала в широком диапазоне частот с заданным коэффициентом усиления. Для производства широкополосных усилителей используются высокочастотные усилительные приборы. Импульсные усилители применяются для усиления импульсных сигналов. Порядок проектирования импульсного и широкополосного усилителя выглядит следующим образом:

1. Для того чтобы определить возможности для наилучшего процесса построения схемы импульсного или широкополосного усилителя производится эскизный расчет, включающий в себя выбор вида промежуточного, входного и выходного каскадов; выбор типа транзистора (ориентировочно); определение необходимости использования корректирующих цепей; определение количества каскадов; составление структурной схемы усилителя; распределение значений качественных показателей.
2. В импульсных и широкополосных усилителях транзисторы функционируют в режиме сильного сигнала. Поэтому, как правило, их расчет осуществляется графоаналитическим способом, в процессе которых используются семейства выходных и входных характеристик транзисторов.
3. Последовательность расчета промежуточного каскада выглядит следующим образом: выбирается тип и режим работы транзистора, определяются высокочастотные характеристики транзистора. После этого производится расчет составляющих схемы, определяются свойства усилителя в области низких частот и больших времен, затем уточняются искажения.