Підсилювачі потужності. Закінчення початку

Отже, в минулому разі ми з вами зупинилися на тому, що отримали дірку величиною в 1,4 вольта, вилили 20 % пива в унітаз і вирушили з горя годувати Кота, розболтавшого всі секрети. Продовжуємо.
На черзі клас АВ. Власне, вже з назви видно, що ця схема побудови вихідного каскаду виходить шляхом схрещування восьминога з вішалкою. Тобто класу А і класу В. Від першого ми беремо ненульовий ток спокою I0>0. Таким чином, напруга зміщення на базах транзисторів присутня. Вважається воно так:

Для тих, хто тільки-но впав з місяця, хочу нагадати, що RL - це опір навантаження, а I0 - це необхідний ток спокою. Ну а від класу В беремо все решту - оскільки ток спокою в порівнянні з вихідним током дуже малий (I0<<0,1ILmax), то вихідна, споживана, розсіювана потужності будуть практично рівні потужностям класу В і вважаються за тими ж формулами.

В загальному, змішуючи ці два способи побудови вихідних каскадів, ми досягаємо суттєвого зниження нелінійних спотворень з одного боку (див. малюнок) при цілком пристойних потужностях і ККД з іншого. Більшість сучасних побутових підсилювачів працюють саме в цьому класі, а що стосується інтегральних підсилювачів, то є мікросхеми, так і взагалі всі. Правда, з одним виключенням, про яке трохи нижче. А поки, давайте підсумуємо, що ми маємо з цими трьома класами.

Отже, клас А - відмінна лінійність, практично повна відсутність нелінійних спотворень, але абсолютно нестерпні потужні характеристики, особливо в частині споживання і тепловиділення. Коротше - хочете печку, зробіть вихідний каскад класу А.
Клас В - мало їсть, дуже мало. Але при цьому так крючит вихідний сигнал, що вже краще б взагалі нічого не робив.
Клас АВ - компромісне рішення між двома попередніми класами. Взято все краще від одного і іншого. Виглядає, що всіх влаштовує за співвідношенням ціна/якість, за винятком, звичайно, страшних людей - аудіофілів. Ті віддають перевагу погарячіше.
Звісно, цими трьома класами справа не обмежується - є, наприклад, такі екзотичні режими як А+ або G, але ми їх розглядати не будемо, з огляду на їх надзвичайно малу поширеність. Особливо допитливі товариші можуть покопирсатися у літературі або Інтернеті.
Ну а ми поскачемо далі.
Усі розглянуті вище підсилювачі були лінійними підсилювачами, незважаючи на всі вольності у поводженні з довіреним їм сигналом. Тобто, ці схеми не передбачають навмисного спотворення вхідного сигналу перед його підсиленням. Тепер же ми розглянемо клас підсилювачів, який спеціально коверкає вхідний сигнал, а після підсилення відновлює його до початкової форми.

Це клас D. Взагалі кажучи - клас D - це не тільки схема побудови або режим роботи вихідного каскаду - це цілий окремий клас підсилювачів. Але раз Кот пробовтався про нього, то доведеться впихнути все це в розмову про вихідні каскади.
Для початку, розглянемо загальну структурну схему підсилювача.

Пробіжимося швиденько по блоках, знеособлених на малюнку. Генератор ПІ - генератор прямокутних імпульсів видає прямокутні імпульси з фіксованою частотою Fs (графік а), які надходять на інтегратор, де перетворюються на трикутні або пилоподібні імпульси (графік б), після чого надходять на один з входів компаратора.

На інший вхід компаратора надходить вхідний аудіосигнал від джерела. Ось тут-то і починається головна м'ясорубка під назвою ШИМ (широтно-імпульсна модуляція) або PWM (pulse-width modulation) якщо по-іноземному. Зупинимося детальніше на роботі компаратора, для чого подивимося на картинку.

Отже, як уже говорилося - на один вхід компаратора надходять трикутні імпульси від генератора (сині на картинці), а на інший вхід аудіосигнал, який необхідно підсилити (на картинці щось червоне, схоже на синусоиду).

Далі компаратор робить наступне: якщо поточне (мгновенне) значення рівня "пили" перевищує значення рівня вхідного сигналу, компаратор переключається в низький логічний рівень, якщо ж навпаки - рівень сигналу "пили" менше, ніж аудіосигнал, то компаратор переключається в логічну одиницю.
Звісно, все це відбувається за один такт роботи генератора (того, прямокутного).
Таким чином, на виході компаратора ми отримуємо прямокутний сигнал, ширина імпульсів якого залежить від амплітуди вхідного сигналу, а частота його дорівнює частоті задаючого генератора Fs - це і є ШИ модуляційний сигнал.
Насправді, пилоподібні імпульси намальовані на картинці так рідко виключно для наочності. Насправді, частота цих імпульсів в 10-20 разів вища, ніж максимальна частота звукового сигналу. Зазвичай вона вибирається в межах 200-500кГц.
Далі, промодульований сигнал надходить на підсилювач потужності на польових транзисторах, які працюють у ключовому (switch-mode) режимі. Після підсилювача впендюривається фільтр НЧ, який фільтрує високочастотну складову сигналу і відновлює аналоговий сигнал, який і відтворюється потім навантаженням.
Тепер давайте подивимося, до чого всі ці танці.
Перш за все до ККД. Теоретично, ККД подібних підсилювачів повинен досягати 100%, але, на жаль, опір каналу транзистора хоч і мале, але все ж ненульове. Але тим не менш, в залежності від опору навантаження, ККД підсилювачів цього типу може досягати 90%-95%. Звісно, при такій ефективності нагрів вихідних транзисторів практично відсутній, що дозволяє створювати чортівськи маленькі і економічні підсилювачі. Коефіцієнт гармонічних спотворень при грамотному побудові вихідного ФНЧ фільтра можна довести до 0,01%, що дуже і дуже гідно. Підсилювачі цього класу випускаються, як і АВ, в інтегральному виконанні.
Ну от, поки це все, що хотілося розповісти про кінцеві каскади, далі у нас в планах каскади попереднього підсилення - що це, з чим їх їдять і...

Джерело: www.radiokot.ru