МОЩНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Мощные усилители в интегральном исполнении начинают эффек­тивно заменять усилители на дискретных компонентах. К числу ос­новных параметров и характеристик усилителей относятся коэффи­циенты усиления; диапазон рабочих частот; динамическая, частот­ная, фазовая и амплитудная характеристики; уровень нелинейных искажений; коэффициент полезного действия; входные сопротивле­ние, напряжение, ток и мощность; сопротивление источника сигнала;

выходные мощность, ток, напряжение; сопротивление нагрузки; ди­намический диапазон; уровень шумов.

Коэффициент усиления по мощности, току или напряжению за­висит от параметров внешних элементов.

Рабочий диапазон частот — это интервал частот от нижней гра­ничной частоты fн до верхней f_в, внутри которого коэффициент уси­ления остается неизменным в пределах заданной точности. Напри­мер, усилитель звуковой частоты с отличным качеством воспроизве­дения речи и музыки имеет неизменным усиление в диапазоне от fн = 16 Гц до fв=20 кГц; усилитель с хорошим качеством в диапазо­не от 50 Гц доЮ кГц должен иметь допустимую неравномерность усиления не более 5 дБ (обычно 1 — 2 дБ),

Динамическая характеристика определяет зависимость выходно­го напряжения от входного; в идеальном случае эта зависимость ли­нейная.

Нелинейные искажения в усилителях обусловлены нелиней­ностью динамической характеристики; их полное отсутствие прин­ципиально невозможно вследствие нелинейности реальных характе­ристик активных элементов (обычно из-за нелинейной входной ха­рактеристики и зависимости коэффициента усиления транзисторов от тока). Количественно степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом гармоник K_г, который определяет относительную интенсивность гармоник.

На нелинейные искажения оказывает влияние режим работы усилителя. Допустимое значение Кг для измерительных усилителей — десятые доли процента и менее; для акустических — единицы про­центов (нелинейные искажения почти не ощущаются на слух, если K_г<2-т-3 % для широкого диапазона частот); для работы на двига­тели — десятки процентов.

При повышении уровня входного сигнала увеличиваются выход­ные мощность, ток и напряжение, но возрастает и уровень нелиней­ных искажений. Поэтому искажения уменьшают путем снижения снимаемой выходной мощности по сравнению с той, которую можно было бы получить от данной ИМС. Требования по линейности, т. е. уменьшение нелинейных и частотных искажений, эффективно дости­гаются с помощью местной (в пределах одного каскада) или общей отрицательной обратной связи, охватывающей весь усилитель.

Номинальное входное напряжение усилителя — напряжение, при котором на выходе получается номинальная выходная мощность (напряжение или ток). Следует отметить, что для получения боль­шой Рвых и высокого КПД сопротивление нагрузки R_a должно иметь определенное (оптимальное) значение.

Для усилителей мощности КПД характеризует их энергетиче­скую экономичность. С ростом напряжения питания усилителя уве­личиваются до определенного предела Рвых, КПД и значение опти­мального сопротивления нагрузки, поэтому в таблице приводятся конкретные режимы, при которых измерены эти величины. Схемо­технически повышение КПД обеспечивается применением мощных двухтактных выходных каскадов усилителей в режимах классов АВ и В на основе транзисторов одного типа проводимости, разного ти­па проводимости или соединенных по схеме Дарлингтона.

Динамический диапазон усилителя устанавливает превышение в децибелах номинального уровня сигнала на выходе над его мини­мальным уровнем, еще различимым на уровне собственных помех. Верхний предел выходного напряжения ограничивается заданной нормой нелинейных искажений, нижний — уровнем внутренних шу­мов, ограничивающих чувствительность усилителя. Для акустических усилителей уровень минимального напряжения и_вых на 6 — 10 дБ выше уровня помех, чтобы были слышны слабые звуки.

Таблица 2.2. Мощные усилители

Большое значение для усилителей мощности имеет проблема рассеяния тепла. Для надежной работы максимально допустимая температура кристаллов не должна превышать 175°С. Усилители характеризуются тепловыми сопротивлениями между кристаллом (переходами) и корпусом R_пер-кор и между корпусом и окружаю­щей средой Rкор-окр(Rпер-окр — Rпер-кор+Rкор-окр), которые за­висят от размеров кристалла и его расположения, типа корпуса и его размеров, температуры окружающей среды. Значения тепловых сопротивлений определяются экспериментально и приводятся в спра­вочных данных. При повышении температуры окружающей среды допустимая мощность усилителя уменьшается линейно.

Для мощных усилителей используются как металлические кор­пуса, например ТО-5 (для усилителей до 1 Вт), ТО-3 (Rпер-кор < <3°С/Вт), ТО-66 с 9 выводами (Rпер-тор =3 °С/Вт), так и пласт­массовые, например с основанием из металлической пластинки, на которую непосредственно монтируется кристалл, при этом

Rпер-кор ~2 °С/Вт.

Мощные усилители в интегральном исполнении часто имеют спе­циальные цепи защиты от короткого замыкания на выходе, электри­ческих перегрузок или перегрева кристалла (тепловая защита).

Устройство защиты от короткого замыкания обычно использует ограничительный транзистор, отпирающийся в критической ситуации вследствие падения напряжения на специальном резисторе и одно­временно запирающий мощные выходные транзисторы. Это позволя­ет ограничить выходной ток до безопасного значения. В большинст­ве усилителей устройства защиты размещаются на том же кристал­ле, что и основная схема усилителя. Ограничительный резистор может быть внешним, чтобы имелась возможность установить нуж­ный порог ограничения тока.

Схема защиты от электрических перегрузок (например, при ра­боте усилителя на индуктивную нагрузку) содержит стабилитрон (или обратносмещенный диод), ограничивающий выходное напря­жение до допустимого значения.

Защита от перегрева при повышении температуры кристалла или окружающей среды осуществляется специальной схемой, распо­ложенной рядом с выходными транзисторами и автоматически от­ключающей (запирающей) их при определенной температуре (на­пример, 175 °С с точностью ±10°С).

В табл. 2.2 приведены следующие электрические параметры уси­лителей для температуры окружающей среды 25 °С: Uи.п — допустимое напряжение источника питания или диапазон

рабочих напряжений; Pвых — выходная мощность;

R_н — сопротивление нагрузки; fн, fв — нижняя и верхняя граничные частоты; Rвх — входное сопротивление; Iвых — выходной ток; Uвых — выходное напряжение; I_пот — ток потребления; Р_ра — допустимая мощность рассеяния; Р*расс~ мощность рассеяния с теплоотводом