Комплексный анализ и проектирование мостовых бестрансформаторных двухтактных усилителей мощности для усиления гидролокационных зондирующих сигналов

В мире, где точность и эффективность имеют решающее значение, гидролокационные системы играют незаменимую роль, от исследования морских глубин до обеспечения безопасности. Центральным звеном этих систем является усилитель мощности (УМ), задача которого — преобразовать слабый управляющий сигнал в мощный зондирующий импульс, способный преодолеть толщу воды и вернуться с ценной информацией. Однако усиление таких специфических сигналов, как прямоугольное напряжение амплитудой 5 В с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) в диапазоне 215–265 кГц, ставит перед инженерами особые вызовы. Стандартные усилительные решения часто оказываются неэффективными или неспособными обеспечить требуемую широкополосность, линейность и энергетическую эффективность.

Настоящая курсовая работа посвящена систематизации знаний и разработке методики проектирования специализированных усилителей мощности, призванных решить эти задачи. В фокусе нашего внимания — бестрансформаторные двухтактные усилители, выполненные по мостовой схеме. Выбор этой топологии не случаен: мостовая схема позволяет значительно увеличить выходную мощность без повышения напряжения питания, а бестрансформаторное исполнение критически важно для сохранения целостности широкополосных ЛЧМ-сигналов, исключая искажения и ограничения, присущие трансформаторным каскадам. Мы углубимся в фундаментальные принципы работы, детально рассмотрим расчётные методики, проанализируем ключевые характеристики и, что наиболее важно, адаптируем эти знания к специфическим требованиям гидроакустики, предлагая комплексный подход к проектированию усилителей, способных эффективно работать с зондирующими сигналами.

Общие принципы работы усилителей мощности и их классификация

Мир электроники изобилует устройствами, предназначенными для обработки сигналов, но лишь немногие из них столь же критичны, как усилители мощности. Эти устройства являются «мускулами» любой электронной системы, будь то домашний кинотеатр, радиолокационная станция или, как в нашем случае, гидролокационный комплекс. Их основная задача — взять слабый электрический сигнал и увеличить его мощность до уровня, достаточного для управления нагрузкой, при этом сохраняя первоначальную форму сигнала с минимальными искажениями, а также, что следует из этого, обеспечивая надёжную и точную передачу информации.

Назначение и функции усилителей мощности

В основе любой системы связи, измерения или управления лежит необходимость преобразования информации, часто представленной в виде слабого электрического сигнала, в форму, пригодную для взаимодействия с внешним миром. Именно здесь вступает в игру усилитель мощности (УМ). Это электронное устройство, спроектированное для увеличения мощности сигнала, то есть для повышения как его напряжения, так и тока, с минимальными изменениями формы.

Основное назначение УМ заключается в передаче заданной или максимально возможной мощности потребителю (нагрузке), такой как акустическая система, антенна или, в нашем случае, гидроакустический излучатель. При этом критически важным условием является поддержание допустимых уровней нелинейных искажений и обеспечение максимально возможного коэффициента полезного действия (КПД). Ведь даже малейшие искажения могут привести к потере важной информации или снижению эффективности системы, поэтому контроль искажений — первостепенная задача. Таким образом, усилитель мощности — это не просто «громкоговоритель», а высокоточный инструмент, который должен обеспечивать высокую верность воспроизведения при эффективном использовании энергии.

Принципы работы двухтактных усилительных каскадов

В стремлении к высокой мощности и низким искажениям инженеры разработали множество топологий усилителей, и одной из наиболее распространённых и эффективных является двухтактный каскад. Что же это такое? Двухтактным называется каскад, в котором два усилительных элемента (например, транзисторы) работают на одну общую нагрузку, но при этом управляются взаимно противофазно одним и тем же усиливаемым колебанием. Это означает, что один транзистор усиливает положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную.

Такая схема имеет ряд значительных преимуществ. Во-первых, она позволяет значительно увеличить выходную мощность по сравнению с однотактными каскадами, поскольку каждый транзистор работает только половину периода, что снижает тепловыделение и повышает эффективность. Во-вторых, и это особенно важно для качества сигнала, двухтактные каскады дополнительно позволяют подавить чётные гармоники искажений. Этот эффект возникает благодаря симметрии схемы: нелинейности, генерируемые каждым плечом усилителя, имеют противоположную фазу и частично компенсируют друг друга на выходе, что способствует улучшению качества звука или, в нашем случае, точности зондирующего сигнала. В результате, двухтактные усилители являются стандартом де-факто для мощных и высококачественных устройств.

Классы работы усилителей (А, В, АВ, D) и их характеристики

Выбор режима работы усилительного элемента определяет его эффективность, линейность и, как следствие, класс усилителя. Эти классы представляют собой компромиссы между качеством усиления и КПД, и каждый из них находит своё применение в зависимости от конкретных требований.

• Класс А. В усилителе класса А выходной транзистор (или транзисторы) всегда находится в проводящем состоянии, независимо от формы выходного сигнала. Это обеспечивает превосходную линейность и минимальные искажения, поскольку транзистор всегда работает на линейном участке своей характеристики. Однако этот класс отличается крайне низким КПД. Теоретический максимальный КПД составляет 50%, но на практике он редко превышает 20–25%, поскольку даже в отсутствие входного сигнала через транзистор протекает значительный ток покоя, рассеиваемый в виде тепла. Это делает усилители класса А громоздкими, горячими и дорогими в эксплуатации, ограничивая их применение высококачественными аудиосистемами, где мощность вторична по отношению к чистоте звука.
• Класс B. Усилители класса B спроектированы для повышения эффективности. В них используются два транзистора, каждый из которых усиливает только половину сигнала — положительную или отрицательную полуволну. Это значительно снижает ток покоя и, как следствие, тепловыделение и потребляемую мощность. Теоретический максимальный КПД усилителя класса B составляет 78,5%, а реальные транзисторные каскады могут достигать примерно 72%. Однако такой режим работы неизбежно приводит к так называемым "переходным искажениям" или "ступеньке" на границе перехода сигнала через ноль, поскольку оба транзистора одновременно закрыты в течение короткого промежутка времени. Эти искажения заметны на слух и ограничивают применение класса B в высококачественных аудиосистемах.
• Класс AB. Класс AB представляет собой элегантный компромисс между линейностью класса А и эффективностью класса В. В этих усилителях на базы выходных транзисторов подаётся небольшое начальное смещение, что позволяет им всегда оставаться слегка открытыми. При малой амплитуде сигнала усилитель класса AB работает практически в режиме класса А, обеспечивая высокую линейность. При увеличении амплитуды сигнала транзисторы начинают работать по принципу класса В, но без полного закрытия на переходе через ноль. Это устраняет "ступеньку" и значительно снижает нелинейные искажения. КПД усилителей класса AB находится в диапазоне от 30% (средний динамический КПД) до 70–80% в реальных условиях, с теоретическим максимумом около 50–60%. Благодаря оптимальному сочетанию качества и эффективности, класс AB стал наиболее распространённым в аудиоаппаратуре среднего и высокого класса.
• Класс D. Усилители класса D кардинально отличаются от своих аналоговых предшественников. Они работают в ключевом режиме, преобразуя аналоговый входной сигнал в высокочастотную последовательность импульсов, ширина которых модулируется амплитудой исходного сигнала (широтно-импульсная модуляция, ШИМ). Выходные транзисторы работают как ключи, либо полностью открытые, либо полностью закрытые, что минимизирует потери мощности в виде тепла. Теоретический КПД усилителя класса D достигает 100%, а на практике часто превышает 90–95%. Это позволяет создавать очень компактные, лёгкие и энергоэффективные устройства. И хотя класс D традиционно ассоциировался с некоторым компромиссом в качестве звука из-за необходимости фильтрации высокочастотных компонентов, современные технологии ШИМ и улучшенные фильтры позволяют достигать очень высокого качества усиления, делая их привлекательными для широкого спектра применений, включая гидроакустику, где энергетическая эффективность является приоритетом.

Выбор класса усилителя — это всегда баланс между мощностью, качеством звука (или сигнала) и эффективностью. Для нашей задачи усиления гидролокационных зондирующих сигналов, где важна широкополосность, умеренный уровень искажений и высокий КПД, класс AB или даже D (для очень высокой мощности и эффективности) могут быть наиболее подходящими кандидатами.

Мостовые схемы усилителей мощности: архитектура, преимущества и ограничения

Когда речь заходит о необходимости значительного увеличения выходной мощности усилителя без кардинального повышения напряжения питания, инженеры часто обращаются к мостовым схемам. Эта топология, получившая название "мостовой" из-за своей конфигурации, где нагрузка соединяется между выходами двух усилителей, стала краеугольным камнем в проектировании мощных систем, от автомобильных аудиосистем до промышленных приводов и, безусловно, гидроакустических передатчиков.

Принцип построения и работы мостовой схемы

Мостовой усилитель мощности — это не просто один усилитель, а скорее интеллектуальная комбинация двух усилительных каскадов, работающих в тандеме для достижения гораздо большей мощности. В основе принципа лежит противофазное управление: на вход одного усилителя подаётся исходный сигнал, а на вход второго — тот же сигнал, но инвертированный (сдвинутый на 180°). Выходы этих двух усилителей соединяются непосредственно с нагрузкой (например, с излучателем), причём один выход подключается к одному концу нагрузки, а другой — к другому.

Давайте рассмотрим это на примере. Предположим, у нас есть синусоидальный входной сигнал. Первый усилитель усиливает его без изменения фазы, формируя на своём выходе, скажем, положительную полуволну от +U_вых до -U_вых. Второй усилитель, получая инвертированный сигнал, формирует на своём выходе сигнал, противофазный первому. То есть, когда на выходе первого усилителя максимальное положительное напряжение, на выходе второго — максимальное отрицательное, и наоборот. В результате, напряжение на нагрузке становится разностью между напряжениями на выходах двух усилителей.

Если каждый усилитель способен выдать амплитуду напряжения U_ампл, то суммарная амплитуда напряжения на нагрузке составит 2U_ампл. Поскольку выходная мощность пропорциональна квадрату напряжения, это приводит к учетверению максимальной выходной мощности при том же напряжении питания по сравнению с усилителями с одиночным выходом и заземлённой нагрузкой.

Пример расчёта:

Допустим, один усилитель способен выдать напряжение U_вых на нагрузку R_н. Мощность составит P_{вых(одиночный)} = U_вых² / R_н.

В мостовом режиме напряжение на нагрузке удваивается: U_R = 2U_вых.

Тогда выходная мощность в мостовом режиме:

P_{вых(мост)} = (U_R)² / R_н = (2U_вых)² / R_н = 4U_вых² / R_н = 4P_{вых(одиночный)}.

Это фундаментальное преимущество мостовой схемы делает её незаменимой в приложениях, требующих высокой мощности при ограничениях на напряжение питания.

Преимущества мостового включения

Применение мостовой схемы приносит ряд значительных выгод, которые делают её предпочтительной во многих высокомощных и высококачественных приложениях:

1. Увеличение выходной мощности. Это, пожалуй, наиболее очевидное и значимое преимущество. Как было показано выше, мостовой режим позволяет учетверить максимальную выходную мощность при том же напряжении питания по сравнению с усилителями с одиночным выходом и заземлённой нагрузкой. Это критично для портативных устройств или систем, где использование источников питания с очень высоким напряжением затруднено или нежелательно.
2. Улучшение качества сигнала и компенсация искажений. Два усилителя, работающие синхронно, но с противоположными фазами сигнала, способствуют компенсации чётных гармонических искажений. Нелинейности, создаваемые одним плечом, могут быть частично скомпенсированы нелинейностями другого плеча, что приводит к снижению общего уровня искажений на нагрузке и, как следствие, к более чистому и точному воспроизведению сигнала. Это особенно актуально для гидролокационных зондирующих сигналов, где сохранение формы импульса является приоритетом.
3. Симметричные токовые пульсации. В мостовой схеме токи, потребляемые каждым усилителем от источника питания, имеют противофазный характер. Это приводит к тому, что суммарные токовые пульсации в цепях питания происходят с удвоенной частотой сигнала. Такая симметрия упрощает построение источников питания, так как требуются менее массивные сглаживающие конденсаторы и фильтры, что способствует снижению габаритов и стоимости системы.
4. Улучшенная совместимость узлов. Мостовая схема не вызывает появление сильноточных сигнальных токов по "общему" проводу (земле), поскольку нагрузка подключена между двумя активными выходами. Это значительно улучшает совместимость узлов в многоканальной аппаратуре, минимизируя перекрёстные помехи и земляные петли, что особенно важно в сложных радиотехнических комплексах.
5. Возможность использования более мощных нагрузок. Позволяет эффективно раскачивать нагрузки с большим сопротивлением или, наоборот, при необходимости получить высокую мощность на нагрузке с типичным сопротивлением (например, 8 Ом), что требует от каждого плеча усилителя работы на эквивалентную нагрузку в 4 Ома.
6. Увеличенная скорость нарастания сигнала (Slew Rate). В мостовом режиме скорость нарастания выходного напряжения может быть фактически в два раза больше, что обеспечивает более точное воспроизведение быстрых фронтов сигнала, что является преимуществом для импульсных зондирующих сигналов.

Недостатки и ограничения мостовых усилителей

Несмотря на многочисленные преимущества, мостовые схемы не лишены и определённых недостатков, которые необходимо учитывать при проектировании:

1. Необходимость идентичности усилителей. Для оптимальной работы и максимальной компенсации искажений оба усилителя в мостовой схеме должны быть максимально идентичными по мощности, коэффициенту усиления, частотным характеристикам и другим параметрам. Небольшие различия между каналами могут приводить к увеличению искажений, особенно нечётных гармоник, и снижению эффективности компенсации.
2. Ограничение по импедансу нагрузки. Мостовая схема часто не подходит для низкоомных нагрузок, особенно ниже 8 Ом, из-за ограничения по току. При подключении нагрузки, например, 4 Ом в мостовом режиме, каждый из двух усилителей фактически "видит" нагрузку в 2 Ома. Это значительно увеличивает требования к их выходному току и тепловыделению. Многие усилители не рассчитаны на безопасную работу с такими низкими нагрузками на канал, что может привести к перегреву, срабатыванию защиты или повреждению устройства. Поэтому, при проектировании для низкоомных гидроакустических излучателей, этот аспект требует особого внимания.
3. Снижение коэффициента демпфирования. Коэффициент демпфирования (DF), характеризующий способность усилителя контролировать движение диффузора динамика (или пьезоэлемента излучателя), уменьшается вдвое в мостовом режиме. Это происходит из-за того, что выходное сопротивление "видимое" нагрузкой, удваивается, поскольку оно складывается из выходных сопротивлений двух усилителей. Для аудиоприложений это может сказаться на качестве воспроизведения низких частот, делая их менее "собранными". В гидроакустике этот эффект может влиять на точность воспроизведения импульсов и затухание паразитных колебаний излучателя.
4. Потенциально высший уровень гармоник. В некоторых упрощённых мостовых схемах, где один усилитель инвертирует сигнал, а другой нет, на выходе второго усилителя может быть увеличенный уровень гармоник, если не принять адекватных мер для их компенсации или снижения. Это подчеркивает важность тщательного выбора схемотехнических решений и использования общей отрицательной обратной связи.
5. Усложнение схемы. Для реализации мостовой схемы требуется фактически два полноценных усилителя, что увеличивает количество компонентов, сложно��ть монтажа и, соответственно, стоимость устройства.

Таким образом, мостовая схема является мощным инструментом для увеличения выходной мощности и улучшения качества сигнала, но её применение требует глубокого понимания как преимуществ, так и ограничений, а также тщательного проектирования, особенно в специфических приложениях, таких как гидроакустика.

Бестрансформаторные двухтактные усилители: особенности и преимущества для широкополосных сигналов

В мире усилительной техники, где каждый компонент может внести свой вклад в искажения или ограничить полосу пропускания, бестрансформаторные схемы занимают особое место. Их разработка стала ответом на стремление к максимально чистому и широкополосному усилению, особенно актуальному для работы со сложными, высокочастотными сигналами, характерными для гидролокации.

Преимущества бестрансформаторного подхода

Исторически трансформаторы были неотъемлемой частью многих усилительных каскадов, особенно в выходных цепях, выполняя функции согласования импедансов, фазоинверсии и гальванической развязки. Однако с развитием полупроводниковых технологий стало возможным отказаться от них, что привело к появлению бестрансформаторных усилителей. Исключение трансформатора из схемы даёт ряд значительных преимуществ:

1. Избежание частотных и нелинейных искажений. Трансформаторы, будучи индуктивными элементами, обладают конечной индуктивностью и распределённой ёмкостью, что неизбежно приводит к ограничению частотного диапазона усилителя. На низких частотах индуктивное сопротивление обмоток падает, вызывая спад АЧХ, а на высоких — паразитные ёмкости начинают шунтировать сигнал, также ограничивая полосу пропускания. Кроме того, нелинейность магнитных характеристик сердечника трансформатора приводит к нелинейным искажениям, особенно на высоких уровнях сигнала. Бестрансформаторные схемы полностью избавляют от этих проблем, обеспечивая значительно более широкую и равномерную АЧХ, что критически важно для усиления широкополосных ЛЧМ-сигналов, используемых в гидролокации.
2. Уменьшение габаритов и веса. Выходные трансформаторы для мощных усилителей — это массивные и тяжёлые компоненты, которые занимают значительный объём. Отказ от них позволяет существенно уменьшить габариты и вес всего устройства, что является важным фактором для мобильных или компактных гидролокационных систем, где каждый кубический сантиметр и грамм на счету.
3. Расширение полосы частот. Как уже упоминалось, трансформаторы являются основным ограничителем полосы пропускания в традиционных усилителях. Бестрансформаторные схемы, при правильном проектировании, позволяют достигать значительно более широкого частотного диапазона, что особенно ценно для работы с многочастотными или широкополосными сигналами, такими как ЛЧМ-сигналы гидролокации, где требуется точное воспроизведение спектральной информации.
4. Упрощение схемотехники и снижение стоимости. Хотя на первый взгляд может показаться, что бестрансформаторные схемы сложнее из-за необходимости использования комплементарных пар и более сложного смещения, в долгосрочной перспективе они часто оказываются проще и дешевле в производстве, поскольку высококачественные силовые трансформаторы являются дорогостоящими и трудоёмкими в изготовлении компонентами.

Таким образом, бестрансформаторный подход является фундаментальным для создания высококачественных и широкополосных усилителей, особенно в таких требовательных областях, как гидроакустика.

Использование комплементарных пар транзисторов

Центральным элементом бестрансформаторных двухтактных усилителей является применение комплементарных пар транзисторов. Комплиментарная пара состоит из двух транзисторов с противоположным типом проводимости — n-p-n и p-n-p (или n-канального и p-канального полевого транзистора), которые имеют схожие, а в идеале идентичные, характеристики.

Принцип работы комплементарной пары в двухтактном усилителе сводится к следующему:

• Когда входной сигнал имеет положительную полуволну, открывается n-p-n транзистор, усиливая эту часть сигнала и подавая ток в нагрузку.
• Когда входной сигнал имеет отрицательную полуволну, открывается p-n-p транзистор, усиливая эту часть сигнала и отводя ток из нагрузки.

Ключевое преимущество комплементарных пар заключается в том, что они позволяют объединить входные цепи плеч усилителя. В традиционных двухтактных схемах без комплементарных пар часто требовался фазоинверсный каскад для создания двух противофазных сигналов, необходимых для управления транзисторами. Использование комплементарной пары устраняет эту необходимость, значительно упрощая схему и улучшая её стабильность.

В простейшем варианте двухтактный бестрансформаторный усилитель представляет собой комплементарную пару транзисторов, включённых последовательно, часто в конфигурации эмиттерного повторителя (или истокового повторителя для полевых транзисторов). Эмиттерный повторитель обеспечивает высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и большой коэффициент усиления по току, что делает его идеальным для выходных каскадов, способных эффективно управлять низкоомной нагрузкой. Благодаря комплементарным транзисторам, оба эмиттерных повторителя могут быть подключены к общей точке входа сигнала, а их эмиттеры — к нагрузке, что создаёт симметричную и эффективную структуру усиления.

Класс AB в бестрансформаторных двухтактных схемах

Как было отмечено ранее, усилители класса B, несмотря на их высокую эффективность, страдают от переходных искажений ("ступеньки") из-за полного закрытия транзисторов при переходе сигнала через ноль. В бестрансформаторных двухтактных схемах для минимизации этих искажений, не жертвуя при этом существенно КПД, активно применяется режим класса AB.

Суть режима AB заключается в подаче небольшого начального смещения на базы выходных транзисторов комплементарной пары. Это смещение обеспечивает небольшой ток покоя через транзисторы, даже когда входной сигнал отсутствует. Благодаря этому, транзисторы всегда остаются слегка открытыми, и при переходе сигнала через ноль нет момента, когда оба транзистора полностью закрыты. Это эффективно устраняет "ступеньку" и значительно снижает нелинейные искажения.

Режим AB в бестрансформаторных двухтактных схемах обеспечивает оптимальный баланс между КПД и низкими нелинейными искажениями, что делает его предпочтительным выбором для многих высококачественных усилителей. При малой амплитуде сигнала усилитель работает почти как класс А, обеспечивая высокую линейность. При увеличении амплитуды, один транзистор начинает проводить основной ток, а другой остаётся слегка открытым, предотвращая "ступеньку". Это позволяет достигать реального КПД до 70–80% при сохранении очень низкого уровня искажений.

Для создания этого смещения используются различные схемотехнические решения, например, цепочка диодов, включённых последовательно, или транзисторный источник стабильного напряжения смещения. Точное значение тока покоя (и, соответственно, смещения) является критическим параметром, который оптимизируется при проектировании для достижения наилучшего компромисса между уровнем искажений и тепловыделением.

Таким образом, комбинация бестрансформаторной архитектуры, комплементарных пар транзисторов и работы в режиме класса AB создаёт мощную и эффективную платформу для усиления широкополосных сигналов с высокой точностью и минимальными искажениями, что является идеальным решением для специфических требований гидролокационных зондирующих сигналов.

Ключевые параметры и характеристики усилителей мощности: расчёт и анализ

Для оценки качества, эффективности и пригодности усилителя мощности для конкретного применения необходимо понимать и уметь рассчитывать его ключевые параметры и характеристики. Эти показатели дают исчерпывающую информацию о поведении устройства в различных условиях и его способности выполнять поставленные задачи.

Выходная мощность и КПД

Выходная мощность (P_вых) является одной из важнейших характеристик усилителя, определяющей его способность отдавать энергию в нагрузку. Это максимальная мощность, которую усилитель может передать на нагрузку при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Измеряется, как правило, в ваттах (Вт).

Для синусоидального сигнала выходная мощность может быть рассчитана по формуле:

Pвых = (Uампл2) / (2 * Rн)

где:

• P_вых — выходная мощность (Вт);
• U_ампл — амплитудное значение выходного напряжения усилителя (В);
• R_н — сопротивление нагрузки (Ом).

В случае мостовой схемы, как мы уже знаем, амплитуда напряжения на нагрузке удваивается, что приводит к учетверению мощности:

Pвых(мост) = (2Uампл)2 / (2 * Rн) = 4 * (Uампл2) / (2 * Rн)

Коэффициент полезного действия (КПД, η) определяет эффективность преобразования потребляемой мощности из источника питания в полезную выходную мощность, отдаваемую в нагрузку. Он показывает, какая доля потребляемой энергии идёт на полезную работу, а какая рассеивается в виде тепла.

КПД рассчитывается по формуле:

η = Pвых / Pпотр * 100%

где:

• η — коэффициент полезного действия (%);
• P_вых — полезная выходная мощность (Вт);
• P_потр — мощность, потребляемая усилителем от источника питания (Вт).

КПД сильно зависит от класса работы усилительного элемента:

• Класс А: Теоретический максимальный КПД составляет 50%, однако на практике он существенно ниже, обычно около 20–25%.
• Класс В: Теоретический максимальный КПД составляет 78,5%, а реальные транзисторные каскады могут достигать примерно 72%.
• Класс АВ: Теоретический максимальный КПД находится в диапазоне между классами А и В, обычно около 50–60%, при этом реальные значения могут достигать 70–80% в зависимости от тока покоя. Средний динамический КПД часто составляет около 30%.
• Класс D: Работающие в ключевом режиме, обеспечивают теоретический КПД до 100%, а на практике достигают 90–95%.

Для двухтактных усилителей мощности реальное значение КПД, как правило, не превышает 60–70%, что является хорошим показателем для аналоговых схем.

Коэффициенты гармонических (К_г/THD) и интермодуляционных (КИИ) искажений

Коэффициент гармонических искажений (К_г, THD — Total Harmonic Distortion) — это одна из ключевых метрик, характеризующих линейность усилителя. Он показывает, насколько выходной сигнал отличается от входного по форме, за счёт появления гармоник, отсутствующих в исходном сигнале. К_г определяется как отношение суммарной мощности всех паразитных гармонических составляющих (2-й, 3-й, 4-й и т.д.) к мощности полезного основного гармонического сигнала.

Формула для расчёта THD:

THD = √( Σn=2∞ Un2) / U12 * 100%

где:

• U₁ — амплитуда основной гармоники;
• U_n — амплитуда n-й гармоники.

Измеряется К_г, как правило, на частоте 1 кГц при определённой выходной мощности. Для Hi-Fi усилителей типовое значение THD составляет 0,1%. Для высококачественных (Hi-End) усилителей этот показатель может достигать тысячных долей процента (0,01–0,001%). Низкий THD является признаком высокой верности воспроизведения сигнала. Двухтактные схемы, как правило, эффективно подавляют чётные гармоники, оставляя доминирующими нечётные, что часто воспринимается на слух как менее неприятное искажение.

Коэффициент интермодуляционных искажений (КИИ, IMD — Intermodulation Distortion) возникает из-за нелинейности характеристик усилительных элементов при одновременной подаче на вход двух или более сигналов разных частот. В отличие от гармонических искажений, которые являются кратными исходной частоте, интермодуляционные искажения создают новые, негармонические составляющие в спектре выходного сигнала (суммы и разности входных частот и их гармоник).

КИИ часто проявляются как "мыльность звучания", "размазанная звуковая картина" или "зажатость звука в высокочастотном спектре" и могут быть более заметны на слух, чем гармонические искажения, даже при низких значениях THD. Методы измерения КИИ включают подачу двух синусоидальных сигналов разных частот (например, 70 Гц и 7 кГц) и анализ спектра выходного сигнала на предмет появления комбинационных частот. Высокий КИИ является нежелательным, так как он ухудшает разборчивость сложных сигналов, что особенно критично для ЛЧМ-зондирующих импульсов в гидролокации.

Частотные характеристики: АЧХ и частотный диапазон

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это графическая зависимость коэффициента усиления усилителя от частоты усиливаемого сигнала. Она показывает, насколько равномерно усилитель передаёт сигналы разных частот. В идеале, АЧХ должна быть абсолютно прямой в рабочем диапазоне частот, что означает, что все частоты усиливаются с одинаковым коэффициентом. На практике это невозможно, и всегда есть спад на низких и высоких частотах.

Неравномерность АЧХ измеряется в децибелах (дБ) и характеризует отклонение коэффициента усиления от среднего значения в рабочем диапазоне.

• Неравномерность АЧХ в ±1 дБ считается минимально различимой на слух.
• Отклонение в ±3 дБ – заметным, но часто допустимым, особенно для не самых требовательных приложений.
• Для Hi-Fi усилителей неравномерность АЧХ может составлять ±0,1 дБ в диапазоне от 20 до 20000 Гц.

Частотный диапазон определяет диапазон частот, с которыми усилитель может эффективно работать при нормированной неравномерности АЧХ. Обычно это диапазон, в котором коэффициент усиления не падает более чем на 3 дБ (или в 0,707 раза) от своего максимального значения. Для гидролокационных систем, особенно с ЛЧМ-сигналами, требуется очень широкий и линейный частотный диапазон для точного воспроизведения модулированных импульсов. Построение АЧХ может быть выполнено как аналитически (на основе расчётов реактивных сопротивлений и коэффициентов усиления каскадов), так и экспериментально (с помощью генератора сигналов и измерителя АЧХ или анализатора спектра).

Входное и выходное сопротивление, демпинг-фактор

Входное сопротивление (R_вх) характеризует усилитель как нагрузку для источника сигнала. Чем выше R_вх, тем меньше ток, потребляемый от источника, и тем меньше он нагружает источник. Это важно для предотвращения искажений и потери сигнала на входе. Для большинства усилителей желательно иметь высокое входное сопротивление, чтобы не шунтировать источник сигнала.

Выходное сопротивление (R_вых) определяет способность усилителя передавать мощность в нагрузку. Чем ниже R_вых, тем лучше усилитель "держит" нагрузку, то есть тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. Низкое выходное сопротивление особенно важно для управления реактивными нагрузками, такими как динамики или пьезокерамические излучатели. Двухтактные усилители, работающие в режиме эмиттерного повторителя, как правило, обеспечивают очень малое выходное сопротивление.

Демпинг-фактор (DF — Damping Factor) — это параметр, характеризующий способность усилителя контролировать движение диффузора динамика (или пьезоэлемента излучателя) после прекращения подачи сигнала. Высокий DF означает, что усилитель эффективно гасит паразитные колебания подвижной системы, что приводит к более "собранному" и чёткому звуку, особенно в области низких частот.

DF определяется как отношение сопротивления нагрузки (акустической системы или излучателя) к выходному сопротивлению усилителя:

DF = Rнагр / Rвых_усил

Для хороших усилителей класса AB демпинг-фактор может достигать 200–300. Минимально допустимое значение DF, установленное опытным путём, составляет от 5 до 8 единиц. В мостовом режиме, как уже упоминалось, коэффициент демпфирования уменьшается вдвое, что требует особого внимания при проектировании для гидроакустических систем, где контроль над излучателем критичен для точности зондирующих импульсов.

Понимание и расчёт этих ключевых параметров позволяют не только оценить производительность усилителя, но и оптимизировать его для конкретных задач, обеспечивая требуемую выходную мощность, качество сигнала и эффективность.

Расчёт и проектирование мостового бестрансформаторного двухтактного усилителя для заданных параметров

Проектирование усилителя мощности — это и наука, и искусство. Это процесс, требующий глубокого понимания схемотехники, характеристик компонентов и целевого назначения устройства. Для нашей курсовой работы, где требуется спроектировать усилитель мощностью 50 Вт на частоте 240 кГц для усиления гидролокационных зондирующих сигналов, этот процесс становится особенно сложным и увлекательным.

Этапы проектирования и выбора структурной схемы

Проектирование любого сложного электронного устройства начинается с анализа технического задания и выбора оптимальной структурной схемы. Этот процесс можно разделить на несколько ключевых этапов:

1. Анализ технического задания (ТЗ). На данном этапе тщательно изучаются все требования:
   • Выходная мощность: 50 Вт.
   • Рабочая частота: 240 кГц (центральная частота ЛЧМ-сигнала 215–265 кГц).
   • Характер сигнала: Прямоугольное напряжение амплитудой 5 В с ЛЧМ.
   • Тип схемы: Мостовая, бестрансформаторная, двухтактная.
   • Целевое применение: Усиление гидролокационных зондирующих сигналов.
   • Допустимые уровни искажений, требования к КПД, температурный диапазон и т.д.
2. Выбор структурной схемы. Исходя из ТЗ, выбирается наиболее подходящая архитектура. Для наших требований (высокая мощность, широкополосность, низкие искажения, отсутствие трансформатора) оптимальным выбором является мостовая бестрансформаторная двухтактная схема с выходным каскадом в режиме класса АВ. Такая структура обеспечивает:
   • Мостовое включение: Учетверение выходной мощности при умеренном напряжении питания.
   • Бестрансформаторное исполнение: Широкая полоса пропускания и отсутствие частотных/нелинейных искажений, вносимых трансформаторами, что критично для ЛЧМ-сигналов.
   • Двухтактный каскад: Эффективное усиление и подавление чётных гармоник.
   • Класс АВ: Минимизация переходных искажений при хорошем КПД.
3. Эскизный (предварительный) расчёт. На этом этапе производятся первые приближённые расчёты для выбора основных компонентов и определения их номиналов. Он включает:
   • Расчёт выходного УМ: Определение требуемого тока и напряжения на нагрузке, выбор выходных транзисторов и их режима работы (АВ).
   • Выбор входного каскада: Предварительное усиление, фазоинверсия (для мостовой схемы, если не используется сдвоенный инвертирующий вход) или подача сигналов в противофазе на два плеча моста.
   • Расчёт цепей отрицательной обратной связи (ООС): Для стабилизации параметров, снижения искажений и расширения полосы пропускания.
   • Расчёт каскадов предварительного усиления: Для доведения входного сигнала до уровня, необходимого для раскачки выходного каскада.
   • Определение параметров вспомогательных цепей: Источники смещения, цепи защиты, фильтры питания.
4. Окончательный расчёт. На этом этапе уточняются номиналы всех элементов схемы, производится детальный анализ её характеристик:
   • Точный расчёт рабочих точек транзисторов.
   • Расчёт коэффициента гармоник (К_г) и интермодуляционных искажений (КИИ).
   • Определение нижней и верхней рабочих частот (F_н, F_в) и построение АЧХ.
   • Расчёт входного и выходного сопротивлений, демпинг-фактора.
   • Учёт температурных зависимостей и стабильности.

Все расчётные значения должны быть округлены до второго знака после запятой и иметь общепринятую размерность, что важно для практической реализации и понимания.

Расчёт выходного каскада на комплементарных транзисторах в режиме AB

Для нашего усилителя мощностью 50 Вт, работающего на частоте 240 кГц, выходной каскад будет представлять собой мостовую схему, каждый из четырёх транзисторов которой является частью двухтактного комплементарного повторителя, работающего в режиме AB.

1. Определение параметров нагрузки и напряжения питания.
Предположим, что нагрузкой является пьезокерамический излучатель с сопротивлением R_н = 8 Ом.
Требуемая выходная мощность P_вых = 50 Вт.
В мостовом режиме P_{вых(мост)} = (2U_ампл)² / (2 * R_н).
Отсюда амплитуда напряжения на нагрузке:

UR_ампл = √(2 ⋅ Pвых(мост) ⋅ Rн) = √(2 ⋅ 50 Вт ⋅ 8 Ом) = √800 ≈ 28.28 В.

Таким образом, каждое из двух плеч моста должно выдавать амплитуду напряжения U_вых = U_{R_ампл} / 2 = 28.28 В / 2 = 14.14 В.
Для обеспечения работы транзисторов в линейном режиме с запасом, а также с учётом падения напряжения на эмиттерных резисторах и насыщения транзисторов, напряжение питания ±U_П должно быть выше амплитуды выходного напряжения. Практически выбирают U_П = U_вых + (2–3) В.
Пусть U_П = 14.14 В + 3 В = 17.14 В. Округляем до стандартного значения, например, ±18 В.
Тогда максимальное напряжение, прикладываемое к транзистору (напряжение коллектор-эмиттер, V_КЭ) в схеме выходного комплементарного повторителя, при использовании двухполярного питания ±U_П, равно:

VКЭ max ≈ UП + Uвых = 18 В + 14.14 В = 32.14 В.

Максимальный ток через транзистор (амплитудное значение):

Iампл = Uвых / Rн_эквив, где R_{н_эквив} = R_н / 2 = 4 Ом (для каждого плеча моста).

Iампл = 14.14 В / 4 Ом = 3.535 А.

Максимальная мощность, рассеиваемая на одном транзисторе (без учёта потерь на смещении и токе покоя):

PТ_max ≈ Iампл ⋅ VКЭ max / 2 (для класса AB).

PТ_max ≈ 3.535 А ⋅ 32.14 В / 2 ≈ 56.7 Вт. Это требует мощных транзисторов с соответствующим радиатором.

2. Выбор выходных транзисторов.
Требуются комплементарные пары транзисторов с максимальным напряжением коллектор-эмиттер U_КЭmax > 32.14 В, максимальным коллекторным током I_Кmax > 3.535 А и мощностью рассеивания P_Кmax > 56.7 Вт. Желательно выбирать транзисторы с высокой граничной частотой (не менее 10–20 МГц) для обеспечения работы на 240 кГц и достаточным коэффициентом усиления по току (h_21Э или β). Пример: транзисторы типа 2SC5200 (n-p-n) и 2SA1943 (p-n-p) или аналогичные силовые MOSFET.

3. Графо-аналитический метод расчёта режима AB.
Используются выходные ВАХ выбранных транзисторов.

• Наносится линия нагрузки для выбранного R_{н_эквив} = 4 Ом.
• Определяется ток покоя I_пок, который должен быть достаточным для устранения "ступеньки". Для мощных усилителей это могут быть десятки миллиампер (например, 50–100 мА).
• Строится нагрузочная характеристика, проходящая через выбранную рабочую точку покоя.
• Определяются максимальные токи и напряжения, чтобы убедиться, что они не выходят за пределы безопасной рабочей области (SOA) транзисторов.

4. Расчёт эмиттерных резисторов (R_Э).
Эмиттерные резисторы (обычно 0.1–0.47 Ом) используются для стабилизации тока покоя и улучшения линейности (за счёт местной отрицательной обратной связи). Рекомендуется выбирать сопротивления эмиттерных резисторов так, чтобы мощность, рассеиваемая на них, не превышала 10% от мощности, выделяемой в нагрузке.
Мощность на эмиттерном резисторе: P_RЭ = I_ампл² ⋅ R_Э / 2 (средняя мощность).
Если мы хотим P_RЭ ≤ 0.1 ⋅ P_{вых(на плечо)}, то P_RЭ ≤ 0.1 ⋅ (50 Вт / 2) = 2.5 Вт.
I_ампл = 3.535 А.
Тогда R_Э ≤ (2 ⋅ 2.5 Вт) / (3.535 А)² ≈ 0.4 Ом. Выбираем, например, R_Э = 0.33 Ом.
Мощность рассеяния на резисторе должна быть с запасом, например, 5 Вт.

5. Схема смещения для режима AB.
Для создания тока покоя используется схема смещения, обычно состоящая из диодов или транзисторов, включённых между базами комплементарных транзисторов. Падение напряжения на p-n переходе диода (или эмиттерном переходе транзистора) используется для создания необходимого смещения. Для компенсации температурной зависимости тока покоя часто используют термозависимые элементы (термисторы или транзисторы, расположенные на том же радиаторе, что и выходные транзисторы).

Определение частотных характеристик и скорости нарастания (Slew Rate)

Для усилителя, работающего на частоте 240 кГц с ЛЧМ-сигналами, чрезвычайно важна широкая и линейная полоса пропускания.

1. Построение АЧХ.
АЧХ определяется ёмкостными и индуктивными элементами схемы (включая паразитные), а также частотными свойствами активных элементов (транзисторов).

• Нижняя граничная частота (F_н) определяется в основном разделительными конденсаторами и ёмкостями связи. Для работы на 215 кГц F_н должна быть значительно ниже (единицы или десятки кГц), что обычно не является проблемой для бестрансформаторных схем.
• Верхняя граничная частота (F_в) определяется собственными ёмкостями транзисторов (C_КБ, C_КЭ), ёмкостями монтажа, а также параметрами отрицательной обратной связи. Для усиления сигнала 240 кГц усилитель должен иметь F_в существенно выше (в несколько раз) целевой частоты, например, 1–2 МГц, чтобы избежать фазовых сдвигов и спада АЧХ в рабочем диапазоне.
  • Аналитическое построение АЧХ включает расчёт комплексного коэффициента усиления для каждого каскада и общей схемы.
  • Экспериментальное построение: с помощью генератора качающейся частоты и осциллографа (или анализатора спектра) подаётся сигнал с переменной частотой на вход, и снимается зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты.

2. Расчёт скорости нарастания (Slew Rate, SR).
Slew Rate характеризует максимальную скорость изменения выходного напряжения усилителя. Это критически важный параметр для работы с прямоугольными или импульсными сигналами, а также с высокочастотными сигналами, такими как ЛЧМ. Если SR недостаточна, усилитель не сможет точно воспроизвести крутые фронты сигнала, что приведёт к искажениям.

Необходимая скорость нарастания (SR) для неискажённого воспроизведения синусоидального сигнала может быть рассчитана по формуле:

SR ≥ 2πfmaxVпик

где:

• f_max — максимальная частота сигнала (Гц);
• V_пик — амплитуда выходного напряжения (В).

Для нашего случая: f_max = 265 кГц (верхняя граница ЛЧМ), V_пик = 14.14 В (амплитуда на плече моста).
SR ≥ 2π ⋅ 265 ⋅ 103 Гц ⋅ 14.14 В ≈ 23.5 ⋅ 106 В/с = 23.5 В/мкс.

Это значение значительно выше типичных 1–2 В/мкс для звуковых усилителей и требует тщательного выбора транзисторов и оптимизации драйверных каскадов для обеспечения такой скорости. Для прямоугольного сигнала требования могут быть ещё выше, поскольку он содержит множество гармоник.

Учёт температурной стабильности и защиты

Высокая мощность и работа в режиме АВ неизбежно приводят к значительному тепловыделению на выходных транзисторах. Температура оказывает существенное влияние на параметры полупроводниковых приборов (ток покоя, коэффициент усиления, напряжение насыщения), что может привести к термостабильности схемы или даже к тепловому пробою транзисторов.

1. Температурная стабильность.
Для обеспечения стабильности тока покоя и предотвращения "теплового разгона" применяются следующие меры:

• Термокомпенсация: Использование диодов или транзисторов, размещённых на том же радиаторе, что и выходные транзисторы. Их p-n переходы обладают отрицательным температурным коэффициентом напряжения, что позволяет компенсировать уменьшение напряжения база-эмиттер выходных транзисторов при нагреве и стабилизировать ток покоя.
• Эмиттерные резисторы: Введение резисторов в цепи эмиттеров выходных транзисторов создаёт отрицательную обратную связь по току, что также способствует стабилизации тока покоя.
• Выбор транзисторов: Использование транзисторов с более стабильными характеристиками при изменении температуры.

2. Защита усилителя.
Мощные усилители требуют комплексной защиты от различных аварийных режимов:

• Защита от короткого замыкания на выходе: Реализуется путём ограничения тока через выходные транзисторы при чрезмерном падении напряжения на нагрузке. Часто используются дополнительные транзисторы, которые при превышении порогового тока шунтируют ток базы выходных транзисторов, ограничивая их проводимость.
• Тепловая защита: Датчики температуры, установленные на радиаторах выходных транзисторов, отключают усилитель или снижают его мощность при достижении критической температуры.
• Защита от перегрузки по току: Ограничивает максимальный ток, протекающий через транзисторы, предотвращая их выход из строя.
• Защита от постоянного напряжения на выходе (DC Offset Protection): При неисправности, приводящей к появлению постоянного напряжения на выходе, эта защита отключает нагрузку, предотвращая её повреждение.
• Защита от превышения напряжения питания: Специальные цепи следят за уровнем напряжения питания и отключают усилитель при аномальных значениях.

Тщательное проектирование всех этих аспектов — от выбора элементной базы и расчёта режимов до обеспечения стабильности и защиты — гарантирует надёжную и эффективную работу мостового бестрансформаторного двухтактного усилителя, способного выполнять свои задачи в условиях гидролокации.

Применение усилителей мощности в гидроакустических системах

Гидроакустика — это уникальная область, где средой распространения сигнала является вода, со всеми её физическими особенностями и ограничениями. Это накладывает особые требования на все компоненты системы, и усилитель мощности, как источник зондирующих сигналов, не является исключением. В этом разделе мы акцентируем внимание на специфических потребностях гидроакустики и покажем, как мостовые бестрансформаторные двухтактные усилители, оптимизированные под эти задачи, могут эффективно их решать.

Характеристики гидролокационных зондирующих сигналов

Зондирующие сигналы в гидролокации — это "глаза" и "уши" системы. Их параметры тщательно подбираются для обеспечения максимальной дальности, разрешения и устойчивости к помехам. Наше ТЗ предусматривает работу с прямоугольным напряжением амплитудой 5 В с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) в диапазоне 215–265 кГц. Такая специфика диктует ряд критических требований к усилителю:

1. Прямоугольная форма напряжения: Прямоугольные импульсы содержат широкий спектр гармоник. Для их точного воспроизведения усилитель должен обладать очень широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания (SR), чтобы сохранить крутизну фронтов и минимизировать "завалы". Недостаточная SR приведёт к скруглению углов импульса, изменению его формы и потере энергии на высоких частотах.
2. Линейно-частотная модуляция (ЛЧМ) 215–265 кГц: ЛЧМ-сигналы являются широкополосными по своей природе. Они используют изменение частоты во времени, что позволяет достигать высокой разрешающей способности по дальности и улучшать отношение сигнал/шум за счёт компрессии импульса на приёме. Для усиления таких сигналов требуется усилитель с равномерной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и минимальными фазовыми искажениями во всём диапазоне модуляции (от 215 до 265 кГц). Любая неравномерность АЧХ или нелинейность фазовой характеристики приведёт к искажению спектра сигнала и ухудшению эффективности его последующей обработки.
3. Амплитуда 5 В: Хотя это входная амплитуда, она определяет динамический диапазон, который должен быть обработан усилителем, и соответственно, требования к его линейности и уровню шумов.
4. Высокая частота (240 кГц центральная): Работа на таких частотах в силовой электронике требует использования быстродействующих транзисторов, оптимизации монтажа для минимизации паразитных индуктивностей и ёмкостей, а также тщательного теплового расчёта.

Гидроакустические сигналы могут также использовать низкочастотный диапазон (например, около 1 кГц для судов) для различных целей, включая мониторинг и связь, при этом их параметры сильно зависят от конкретного применения и среды распространения. Однако в данном случае речь идёт о высокочастотном зондировании.

Требования к усилителям для гидроакустики

Исходя из характеристик зондирующих сигналов и особенностей среды (вода), к усилителям для гидроакустических систем предъявляются следующие специфические требования:

1. Высокая энергетическая эффективность: В гидроакустике часто требуются очень большие мощности для преодоления ослабления сигнала в воде. Высокий КПД усилителя (например, класса AB или даже D) позволяет минимизировать потребление энергии и тепловыделение, что критически важно для автономных систем или систем с ограниченными ресурсами питания. Класс D, работающий в ключевом режиме, обеспечивает теоретический КПД до 100%, а на практике достигается 90–95%, что позволяет создавать компактные и энергоэффективные устройства, часто применяемые для формирования широкополосных сигналов низкой частоты и высокого уровня мощности (от 10 до 100 кВт) в гидроакустике.
2. Широкополосность и линейность АЧХ: Для точного воспроизведения ЛЧМ-сигналов с крутыми фронтами и сложным спектром усилитель должен иметь максимально широкую и плоскую АЧХ без значительных фазовых искажений в рабочем диапазоне частот. Бестрансформаторная архитектура здесь является ключевым преимуществом.
3. Низкие нелинейные искажения (THD, IMD): Искажения сигнала могут привести к потере информации, ухудшению разрешающей способности и появлению ложных целей. Поэтому усилитель должен обеспечивать минимальный уровень гармонических и интермодуляционных искажений.
4. Согласование с пьезокерамическими излучателями: Пьезокерамические излучатели, широко используемые в гидроакустике, обладают сложным, часто реактивным (ёмкостным) импедансом, который сильно меняется с частотой. Усилитель должен быть способен эффективно работать на такую нагрузку, обеспечивая максимальную передачу мощности. Часто для согласования требуется использование согласующих устройств, представляющих собой усилители мощности или, для ключевых усилителей, повышающие автотрансформаторы с заданной индуктивностью холостого хода.
5. Снижение электромагнитных помех (ЭМП): Мощные высокочастотные усилители могут генерировать значительные ЭМП, которые могут влиять на чувствительную приёмную аппаратуру или другие электронные системы. Схемотехнические решения должны включать меры по экранированию, фильтрации и оптимизации разводки печатных плат для минимизации ЭМП.
6. Высокая надёжность и защита: Работа в морских у��ловиях (вибрации, влажность, перепады температур) требует повышенной надёжности. Системы защиты от перегрузок, коротких замыканий и перегрева являются обязательными.

Специфические схемотехнические решения для гидроакустики

Для успешного применения мостовых бестрансформаторных двухтактных усилителей в гидроакустике необходима их адаптация с учётом вышеуказанных требований:

1. Оптимизация выходных каскадов для высоких частот: Использование быстродействующих силовых транзисторов (например, MOSFET с низким сопротивлением открытого канала R_{СИ(откр)} и малыми входными ёмкостями), а также высокочастотных драйверов, способных обеспечить необходимую скорость нарастания управляющих импульсов.
2. Тщательная разводка печатной платы: Минимизация паразитных индуктивностей и ёмкостей за счёт коротких и широких проводников, использования многослойных плат, разделения силовых и сигнальных земель. Это критически важно для сохранения формы прямоугольных ЛЧМ-сигналов на частотах до 265 кГц.
3. Согласование с реактивной нагрузкой: Для эффективного согласования с пьезокерамическими излучателями, имеющими реактивную составляющую импеданса, может потребоваться применение дополнительных согласующих цепей (например, LC-фильтров или, как уже упоминалось, автотрансформаторов), которые компенсируют реактивность нагрузки на рабочей частоте. При этом важно, чтобы эти цепи были широкополосными, чтобы не ограничивать спектр ЛЧМ-сигнала.
4. Усиление прямоугольных ЛЧМ-сигналов: Для точного воспроизведения прямоугольных ЛЧМ-сигналов, помимо высокой SR, важно обеспечить стабильность напряжения питания и адекватную фильтрацию. В мостовой схеме симметричные токовые пульсации с удвоенной частотой сигнала (до 530 кГц) упрощают построение источников питания, но требуют тщательного выбора конденсаторов с низким ЭПС (эквивалентное последовательное сопротивление) для минимизации потерь и просадок.

Построение АЧХ и анализ входных/выходных характеристик цепи для гидроакустического УМ

Анализ и подтверждение характеристик усилителя для гидроакустических сигналов требуют как аналитических расчётов, так и экспериментальных измерений.

1. Аналитическое построение АЧХ:
На основе разработанной схемы и выбранных компонентов производится расчёт комплексного коэффициента усиления.
Примерный расчёт верхней граничной частоты (F_в) для одного каскада может основываться на выражении Fв ≈ 1 / (2π ⋅ Rвых_каскада ⋅ Cпар_суммарная), где C_{пар_суммарная} включает в себя собственную ёмкость транзистора, ёмкость монтажа и входную ёмкость следующего каскада. Для широкополосной работы F_в должна быть значительно выше 265 кГц.
Также учитывается влияние отрицательной обратной связи (ООС), которая, помимо снижения искажений, расширяет полосу пропускания.

2. Экспериментальное построение АЧХ:

• Используется генератор сигналов, способный генерировать синусоидальный сигнал с регулируемой частотой в диапазоне, значительно превышающем 215–265 кГц (например, от 100 кГц до 1 МГц).
• На вход усилителя подаётся сигнал постоянной амплитуды.
• С помощью осциллографа или анализатора спектра измеряется амплитуда выходного сигнала на нагрузке при различных частотах.
• Полученные данные строятся в виде графика зависимости амплитуды выходного напряжения (или коэффициента усиления в дБ) от частоты.
• Особое внимание уделяется неравномерности АЧХ в диапазоне 215–265 кГц, которая должна быть минимальной (например, не более ±1 дБ).

3. Анализ входных/выходных характеристик цепи:

• Входные характеристики: Измеряется зависимость входного тока от входного напряжения, а также определяется входное сопротивление. Это важно для согласования с источником зондирующего сигнала (например, генератором прямоугольных ЛЧМ-импульсов).
• Выходные характеристики: Снимаются вольт-амперные характеристики выходного каскада (зависимость тока через нагрузку от выходного напряжения) для проверки линейности и отсутствия ограничения сигнала при максимальной мощности.
• Нелинейные искажения (К_г, КИИ): Измеряются с помощью анализатора спектра при подаче синусоидального сигнала (для К_г) и двухтонального сигнала (для КИИ) на различных частотах и уровнях мощности. Для гидролокационных сигналов важно, чтобы эти показатели были низкими.
• Искажения прямоугольного сигнала: На вход подаётся прямоугольный сигнал, и анализируется форма выходного сигнала на предмет скругления фронтов, выбросов, искажений плоской вершины, что напрямую связано со скоростью нарастания и частотными характеристиками усилителя.
• Анализ влияния нелинейной нагрузки: Поскольку пьезокерамические излучатели могут обладать нелинейными свойствами при высокой мощности, необходимо исследовать поведение усилителя при работе на реальную (или эквивалентную) нелинейную нагрузку.

Тщательный расчёт, проектирование и всесторонний анализ, учитывающий все эти нюансы, позволят создать эффективный и надёжный мостовой бестрансформаторный двухтактный усилитель, идеально подходящий для усиления гидролокационных зондирующих сигналов.

Заключение

В рамках данной работы был проведён исчерпывающий анализ принципов работы, методик расчёта и проектирования усилителей мощности, выполненных по мостовой схеме, с особым акцентом на бестрансформаторные двухтактные конфигурации, адаптированные для усиления гидролокационных зондирующих сигналов. Мы систематизировали фундаментальные основы усиления, детально рассмотрели классы работы транзисторных каскадов (А, В, АВ, D) и их ключевые характеристики, такие как КПД, коэффициенты гармонических и интермодуляционных искажений, частотный диапазон и скорость нарастания.

Критически важным аспектом стало глубокое погружение в особенности мостовых схем, позволивших выявить их неоспоримые преимущества — учетверённую выходную мощность при том же напряжении питания, снижение искажений за счёт симметричной работы и улучшенную совместимость узлов. Одновременно были обозначены и их ограничения, включая требование идентичности каналов и снижение демпинг-фактора. Отдельное внимание было уделено преимуществам бестрансформаторной архитектуры, которая, исключая громоздкие и вносящие искажения трансформаторы, обеспечивает широкополосность и линейность, что является краеугольным камнем для работы со сложными ЛЧМ-сигналами гидролокации. Использование комплементарных пар транзисторов в режиме класса AB было обосновано как оптимальный путь для достижения высокого КПД при минимизации нелинейных искажений.

В кульминационной части работы была представлена пошаговая методика расчёта и проектирования усилителя, удовлетворяющего специфическим требованиям курсовой работы — выходная мощность 50 Вт, рабочая частота 240 кГц, усиление прямоугольного ЛЧМ-сигнала. Были рассмотрены этапы выбора структурной схемы, детальный расчёт выходного каскада на комплементарных транзисторах в режиме AB, определение частотных характеристик и критически важной скорости нарастания (SR), а также вопросы температурной стабильности и комплексной защиты.

Наконец, мы акцентировали внимание на уникальных требованиях гидроакустических систем, подчеркнув, как мостовые бестрансформаторные двухтактные усилители отвечают на вызовы, связанные с усилением специфических зондирующих сигналов. Особенности прямоугольного напряжения с ЛЧМ 215–265 кГц, необходимость высокой энергетической эффективности, широкополосности, низких искажений и специфического согласования с пьезокерамическими излучателями были детально проанализированы. Были предложены конкретные схемотехнические решения и методики построения АЧХ и анализа входных/выходных характеристик, позволяющие обеспечить эффективную и надёжную работу усилителя в столь требовательной области.

Подводя итог, можно утверждать, что мостовые бестрансформаторные двухтактные усилители мощности представляют собой весьма перспективное и эффективное решение для задач гидроакустики. Их способность сочетать высокую выходную мощность, широкополосность и низкие искажения делает их идеальным кандидатом для усиления сложных зондирующих сигналов. Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию систем защиты, интеграцию с адаптивными алгоритмами управления для компенсации нелинейности излучателей и исследование применения гибридных схем (например, сочетание класса AB с высокоэффективными ключевыми схемами) для ультравысоких мощностей.

Список использованной литературы

1. Войшвилло, Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — Москва: Радио и связь, 1983.
2. Симонов, Ю. Л. Усилители промежуточной частоты. — Москва: Советское радио, 1973.
3. Колпаков, А., Лебедев, В. Еще раз об усилителях мощности // Схемотехника. — 2000. — №3. — С. 7–8.
4. Пейтон, А. Дж., Волш, В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. — Elec.ru.
5. Ежков, Ю. С. Справочник по схемотехнике усилителей. — Elec.ru.
6. Ежков, Ю. С. Справочник по схемотехнике усилителей. — Элек.ру.
7. Агунов, М. В. Расчет усилителя мощности звуковой частоты.
8. Расчёт усилителей мощности звуковых частот. — ОмГТУ.
9. Методика тестирования усилителей мощности (и усилителей для наушников) — программное обеспечение, проведение теста и обработка результатов (Варианты корректно отображаемых результатов и ошибочных). — iXBT.
10. Руководство по проектированию усилителей мощности. — Сайт Паяльник.
11. Разработка и исследование модуля ключевого усилителя мощности для широкополосного гидроакустического… — ЭБ СПбПУ.
12. Многоканальный усилитель мощности гидроакустических сигналов с трансформаторным согласованием: выпуск… — ЭБ СПбПУ.
13. Измерение выходной мощности усилителей звуковой частоты. — Сайт Паяльник.
14. Измерение выходной мощности УМЗЧ (2 варианта). — аудиоТракТ.
15. Project 101 – усилитель на полевых транзисторах от Рода Эллиота. — ldsound.info.
16. Самодельный усилитель 2 х 50 Вт (на м/с TDA7492 + TDA1524). ОБЗОР, СБОРКА и ТЕСТ. — YouTube.
17. Генераторные устройства для гидроакустических антенн. — Электроника НТБ.
18. НПП АКМА — разработка и производство в области акустических технологий.
19. Бестрансформаторные усилители мощности – схема и принцип работы. — в энергетике.
20. Усилитель мощности звука — Что это такое? Какой усилитель купить? — TrueConf.
21. Лекция №11 Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности.
22. Усилитель мощности на комплементарных транзисторах с двойным дифференциальным каскадом на входе. — Радио Схемы.
23. Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности. — Электроника.
24. Исследование двухтактного усилителя мощности.
25. Усилители электрических сигналов.
26. Какие технические характеристики следует учитывать при настройке усилителя радиочастотной мощности?
27. Основные параметры усилителей. — Radiomaster.ru.
28. Справочник по схемотехнике усилителей.
29. 4. Двухтактный усилитель мощности.
30. Усилители мощности любительских радиостанций.
31. 2.2 Усилители мощности.
32. Определение характеристик усилителя с помощью анализа цепей и анализа спектра.
33. Основные параметры усилителя. — Практическая электроника.
34. Транзисторный усилитель класса А своими руками. — Habr.
35. 14.3. Двухтактные усилители мощности класса b.
36. «Схемотехника» (серия). — Публичная Библиотека.
37. Транзисторный усилитель мощности в классе АВ «Musatoff PA-14.
38. Аналоговая электроника на операционных усилителях. — RuLit.
39. Аналоговая схемотехника.
40. Усилители мощности. Начало. — РадиоКот.
41. Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром. — Аудиомания.
42. Комплиментарные Транзисторы ЧТО ЭТО ТАКОЕ и Как их можно различить. — YouTube.
43. Книга: Схемотехника и расчет бестрансформаторных усилителей с обратными связями. Учебное пособие. — Лабиринт.
44. Расчет ачх усилителя.
45. Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром. — Stereo.ru.
46. Делаем простой гидроакустический модем. — Хабр.
47. Расчет двухтактного усилителя мощности. — РадиоКот.
48. Расчет двухтактного усилителя мощности (оконечного каскада).
49. Классы усилителей (A, B, АВ, C, D) — их различие и применение.
50. Как рассчитать реальную мощность усилителя. — Doctor BASS.
51. Мощные гидроакустические излучатели. — ИПФ РАН.
52. Гидроакустическая система безопасности акватории AquaShield. — Аквилон-А.
53. Замер выходной мощности УНЧ. — YouTube.
54. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. — Электронный каталог DSpace ВлГУ.
55. Пример разработки двухтактного усилителя мощности. — Электронная лампа, радиолампа. Физика и схемотехника.
56. 5.10. Радиопередающие устройства РЛС. — Военно-техническая подготовка.
57. Р Е К О М Е Н Д А Ц И И. — Danube Commission.
58. 5.4. Радиолокационные сигналы. — Военно-техническая подготовка.
59. Основы радиолокации – Требования к радиолокационному приемнику. — Radartutorial.eu.
60. 3.2. Зондирующие сигналы и влияние их параметров на характеристики рлс.
61. 4.3 Расчет кпд усилителя.
62. Основные параметры усилителей. — Radiomaster.ru.
63. Мостовое подключение: плюсы и минусы? — Stereo.ru.
64. Перевод УМ в монофонический (мостовой) режим, какие плюсы и минусы? И вообще, как это работает?). — Stereo.ru.
65. Какие преимущества дает мостовое подключение автомобильных усилителей? — Вопросы к Поиску с Алисой (Яндекс Нейро).
66. Плюсы и минусы. Мостовой режим усилителя. — DA Stereo.
67. Мостовое включение: что дает и есть ли смысл? — Усилители | Форум Hi-Fi.ru.
68. Расчет мощности усилителя для чайников. — Stereo.ru.
69. Что такое АЧХ или амплитудно-частотная характеристика, как читать, как узнать и проверить. — Pop Music.