Ну, точнее, не совсем начало, а скорее конец, поскольку, как настоящие индейцы, мы с Котом решили начать эту сагу об УМ с выходных каскадов.
Собственно говоря, мне придется отдуваться за двоих, поскольку Коту совершенно непонятно, за коей собакой нам, людям потребовались такие штуковины, как усилители мощности. Ну, им, котам, этого не понять – они и так весьма мощно орут, когда кто то наступит им на хвост.
Ну что же, не будем тянуть кота за хвост и начнем.
Что же представляет из себя Усилитель Мощности – далее, для краткости будем называть его УМ. Условно, его структурную схему можно разделить на три части:
Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением — динамическую головку или наушники. Как они это делают? Очень просто – берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала.
Это как раз продемонстрировано на рисунке. На входе у нас маленький ( мяу! ) сигнал, на выходе большой (МЯУ!). При этом его форма ( мяу! -МЯУ!) совершенно не поменялась. Спасибо Кот.
Но, к сожалению, все хорошо бывает лишь в теории. На практике же, при конструировании радиоаппаратуры мы применяем неидеальные резисторы, конденсаторы, и в особенности транзисторы. Потому форма выходного сигнала может весьма серьезно отличаться от входного и такая беда называется искажения . Свои пять копеек в порчу сигнала вносят все каскады усилителя, но львиную его долю – я бы сказал, целый рубль мелочью, вносит оконечный каскад при его неправильном построении или расчете.
Почему искажения – это плохо? Ну, чтобы не заниматься демагогией, просто вырежьте из этой статьи, скажем, каждое пятое слово. Что получилось? Нет, смысл, конечно, все равно понятен, но уже несколько не то, правда? Таким же образом получается и со звуком.
Итак, давайте рассмотрим различные способы построения оконечных каскадов УМ, которые также называются классами (или режимами работы) усилителей. Слышали наверное – усилитель класса А, усилитель класса АВ – вот это оно и есть.
Начнем с того, что посмотрим на общую принципиальную схему выходного каскада УМ.
Это 2-хтактный выходной каскад на комплементарных транзисторах. Как видно, в базовые цепи транзисторов включены источники напряжения, формирующие начальное смещение рабочей точки каждого из транзисторов. Так вот как раз от величины этого напряжения и зависит в каком режиме (классе) будет работать тот или иной выходной каскад.
Ну, начнем по порядку – режим А .
Этот режим получится у нас при довольно большом напряжении смещения 
, таком, что
где I0 – ток покоя каскада. Таким образом, оба транзистора находятся в активной зоне и по мере спада коллекторного тока одного транзистора, увеличивается ток другого. В результате всех этих плясок мы получаем практически идеальную линейность каскада и полное отсутствие нелинейных искажений. НО. Всегда есть некое НО, вы заметили? Во-первых, мощность, потребляемая от источника питания, равна удвоенной мощности выходного сигнала и является величиной постоянной, не зависящей от входного сигнала. То есть, если усилитель развивает максимальную выходную мощность 100 ватт, то потребляемая от источника питания мощность составит 200 ватт, причем, не важно с какой громкостью вы будете слушать музыку. А если усилитель 2-хканальный, то есть стерео? А если это домашний кинотеатр? Дальше. Выходные транзисторы, как вы знаете имеют дурную привычку греться. То есть, рассеивают некоторую мощность. В случае режима А, рассеиваемая мощность для одного транзистора равна следующему:
где a – размах напряжения на выходе.
Что у нас получается? Ещё одна особенность класса А – мощность рассеяния транзисторов тем больше, чем меньше входной сигнал. То есть, если вы оставите работающий усилитель без входного сигнала, он будет греться как печка, потому что в отсутствие входного сигнала мощность рассеяния транзистора равна максимальной выходной мощности усилителя. Кстати, хочу сказать, что это проверено на практике – мой Technics A 900 Reference и в самом деле греется сильнее в том случае, если на его вход не подается никакого сигнала – я в свое время очень удивлялся этому обстоятельству и даже хотел тащить его в ремонт. Ещё один немаловажный параметр усилителя – КПД. Ну, сами понимаете – с таким нагревом транзисторов никакого человеческого (Мяу!) или кошачьего КПД мы не получим.
КПД считается так:
гда a , как и в прошлой формуле – размах выходного напряжения. Таким образом, КПД не постоянен и увеличивается по мере нарастания входного сигнала, а значит и выходной мощности и максимально достигает значения 50%. ( Хотите выпить бутылку пива? Мяу, ничего не получится – половину бутылки выливаем в унитаз, оставшуюся половину выпиваем и бежим снова за целой.) Да, примерно так и есть, но надо заметить, что пиво это будет просто превосходное. Правда, тем обиднее будет выкидывать половину.
Итак, подытожим – чем же хорош класс А? Прежде всего отличной линейностью и отсутствием искажений – форма сигнала на выходе остается такой же, какой она была на входе. Но за это нам приходится платить убийственной потребляемой мощностью и чрезвычайно низким КПД усилителя. Пойти на такие жертвы могут далеко не все и такой режим работы усилителей применяется лишь в очень качественных системах класса Hi — End , стоимость которых начинается от 1000 утоптанных енотов и выглядят они при этом форменными гробами.
Следующий класс усилителей – класс В
Так же как и в прошлый раз, рассмотрим 2-хтактный каскад на комплементарных транзисторах.
Схема немножко упростилась в связи со спецификой работы усилителя в этом режиме. Как можно увидеть – смещения тут нет совсем никакого, то есть транзисторы открываются исключительно от входного сигнала. Таким образом, особенность этого режима заключается в том, что при отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты, и каскад не потребляет от источника питания совершенно ничего – I0 =0. При наличии входного сигнала транзисторы работаю поочередно – для положительных полуволн работает транзистор Т1, а для отрицательных Т2. Давайте посмотрим, как у нас обстоит дело с потребляемой мощностью, КПД, и нагревом транзисторов.
Для начала введем некий коэффициент а – так называемый, коэффициент использования.
то бишь отношение выходного напряжения в данный момент к максимальному выходному напряжению. Если сказать человеческим языком, то эта цифирька показывает загруженность усилителя работой в данный момент – или он электроны ведрами таскает с бешенной скоростью – а=1, или вообще дрыхнет – а=0.
Итак, выходная мощность считается по следующей формуле:
; 
мощность рассеяния рабочего транзистора:
потребляемая мощность:
Ну в общем, в случае режима В все по-честному – потребляемая мощность возрастает по мере роста входного сигнала и соответственно, выходной мощности. Максимальная потребляемая мощность при а=1 достигает
КПД также прирастает с ростом уровня сигнала и достигает 78,5%. Ну совсем другое дело. (Мяу! Ну да – вылить 20% пива – это не 50%.)
Так, что то мы пропустили, кажется. Ну точно – про искажения то забыли. А все Кот со своим пивом. Отвлекает.
Так вот, посмотрим на искажения.
Уууу… вот тут то мы и попали – смотрите, что творится. В чистом классе В нас поджидает очень большая ммм… (Мяу! Задница!) ну да, что то в этом роде — нелинейные или, как их ещё называют – переходные искажения 1-го рода . Видите – на графике – вместо того, чтобы синусоиде плавно переходить через ноль, как она это делает во входном сигнале, у нас получается вообще провал некоторой ширины – то есть момент, когда сигнал исчезает вообще – нету его. Почему же это происходит? Все дело в том, что транзистору, чтобы открыться и начать работать нужно некоторое пороговое напряжение, подаваемое на базу – для кремниевых биполярных транзисторов оно равно 0,7 вольта.
То есть, что мы получаем. Допустим, величина положительной полуволны начинает убывать. Транзистор Т1 начинает закрываться. И наступает такой момент, когда величина первой полуволны падает ниже 0,7 вольта и Т1 закрывается, но ведь Т2 то ещё не открылся, а откроется он лишь тогда, когда сигнал перейдет в отрицательную полуволну и её величина достигнет напряжения –0,7 вольт. Таким образом, мы получаем дырку в сигнале шириной в 1,4 вольта. Ай ай ай, что же нам делать то теперь, а?
Ну, чтобы не заканчивать эту часть на грустной ноте, забегу вперед и скажу, что решение этой проблемы найдено, найдено давно и называется оно режим АВ . Некий компромисс между качеством сигнала и мощностными параметрами. Но это мы уже рассмотрим в следующей части. (А ещё мы будем рассматривать класс D – цифровой усилитель)
Источник: www.radiokot.ru