9.1. Общие сведения о мощных усилительных каскадах

            Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

            Нелинейные искажения для мощных транзисторных каскадов обусловлены зависимостью  или  от режима работы, нелинейностью характеристик транзисторов I_Э(U_ЭБ) или I_Б(U_БЭ), а также нелинейностью характеристик намагничивания магнитной системы трансформатора, часто используемого для согласования выходного каскада с нагрузкой. 

            Для количественной оценки нелинейных искажений, вноси­мых каскадом, на его вход подают чисто синусоидальный сигнал и измеряют амплитуды гармоник на его выходе. Отношение корня квадратного из суммы квадратов амплитуд всех гармоник, кроме первой, на входе каскада к амплитуде первой гармоники характеризует нелинейные искажения, вносимые усилителями мощности. Это отношение называется коэффициентом  гармоник:

  или  

            При экспериментальной оценке чаще используют коэффициент нелинейных искажений (1.4) ввиду более простой реализации измерительного устройства. Разница между этими двумя оценками нелинейных искажений обычно несущественна. Коэффициенты гармоник и нелинейных искажений часто выражают  в  процентах.

            У прецизионных усилителей иногда оценивают коэффициент искажений интермодуляции. При его нахождении на вход усилителя через резисторы подаются сигналы от двух генераторов сигналов. Частота одного из

них f₁ небольшая (f₁ » 250 Гц). Второе напряжение имеет частоту f₂ на порядок – полтора большую, чем f₁ (обычно f₂ » 8 кГц). Значения на­пряжений берут 0,8 и 0,2U_{ВХ НОМ}.         К выходу усилителя подключа­ют полосовой фильтр, настроенный на частоту f₂. Составляющие U и U_M выходного напряжения фильтра (рис. 9.1) измеряют с помощью приборов. Коэффициент интермодуляции К_ИНТ  оценивают  из  уравнения

            Если усилитель линейный, то при воздействии любого количества сигналов происходит их суммирование и в спектре сигнала не появляются комбинационные частоты. Соответственно не происходит модуляции амплитуд гармоник выходного сигнала. При наличии нелинейности возникают комбинационные частоты, и высокочастотная гармоника f₂ окажется модулированной по амплитуде, причем глубина модуляции, характеризуемая напряжением  U_M, зависит от нелинейности усилителя.                                   

            В общем случае сигналы сложной формы могут усиливаться, поэтому  нелинейные  искажения  усилителя  следует  оценивать суммарным коэффициентом

K_Гс =K_Г + K_ИНТ,                                                              (9.2)

который должен быть мень­ше допустимого значения К₀ (К_Гс < К₀).  Справедливость (9.2)  обусловлена тем,  что в общем случае происходит суммирование  нежелательных  гармоник и интермодуляционных  искажений, что  в выражении (9.1) не учитывается, так как  оно характеризует искажения одной гармоники.  

            Как показывают расчеты, коэффициенты гармоник, обусловленные только нелинейностью входной цепи мощного усилительного каскада на биполярных транзисторах, могут достигать 3 – 8 %, а интермодуляционные искажения в  1,6 раза больше гармонических. Общие же искажения достигают 15 – 20 %. Их уменьшение осуществляют за счет введения до­статочно глубокой отрицательной ОС, охватывающей мощный усилительный каскад. Ориентировочно можно считать, что коэффициенты гар
моник и интермодуляционных искажений уменьшаются  пропорционально  глубине  ОС:

                К_{Г ос} = К_Гс /(1+Кg),                              

где К – суммарный коэффициент гармоник каскада с ОС; g — коэффициент  ОС.

       Выходные каскады выполняют однотактными и двухтакт­ными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах А, Б или АВ. Для создания мощных выходных  каскадов  используют  схемы  с  ОЭ,  ОБ  и  ОК.

      В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме А. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его часто­тные  характеристики.