§ 4.9. Выходные каскады (усилители мощности)

В главе 3 были рассмотрены принципы построения схем усилителей мощности, работающих в режимах А, В или АВ. Показано, что наиболее благоприятным режимом для выходных каскадов усиления мощности является режим класса АВ. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности на однотипных биполярных транзисторах, работающего в режиме класса АВ, приведена на рис. 4.26. Небольшое смещение напряжения , подается на базы транзисторов с помощью резисторов .

Вместо резистора можно использовать прямосмещенный диод, создающий на базе транзистора напряжение смещения Для обеспечения режима класса АВ.

Рис. 4.26.

Диод осуществляет также термокомпенсацию рабочей точки покоя, так как при изменении температуры напряжение на эмиттерном переходе транзисторов и падение напряжения на открытом диоде меняются в одну и ту же сторону. Для получения большего эффекта термостабилизации диод и транзисторы следует подбирать.

Расчет выходной мощности, КПД и нелинейных искажений в каскаде усиления мощности класса АВ можно производить с статочной степенью точности по формулам (3.14), (3.16), (3.19), выведенным для режима класса В в § 3.2.

Трансформаторы, используемые в рассмотренных схемах, не позволяют снизить габариты и вес усилителей мощности, ухудшают их амплитудно-частотную характеристику. Изготовление трансформаторов требует больших затрат ручного труда, дефицитных материалов, и как элементы схемы трансформаторы имеют низкую надежность. Поэтому в настоящее время широко распространены бестрансформаторные двухтактные усилители мощности, построенные на паре транзисторов разного типа электропроводности (рис. 4.27, а).

Рис. 4.27.

Схема состоит из двух однотактных эмиттерных повторителей (плеч), работающих попеременно, в течение одного полупериода входного сигнала. Питание плеч осуществляется раздельно, от двух разнополярных источников постоянного напряжения , объединенных общей шиной, которая обычно заземляется. Благодаря разному типу электропроводности транзисторов каскад не требует парафазных входных напряжений.

Отрицательная обратная связь позволяет уменьшить нелинейные искажения, а также влияние асимметрии плеч. Однако в схемах с использованием эмиттерных повторителей выходное напряжение не может превышать входное, т. е. происходит по существу лишь усиление тока. Каскад (рис. 4.27, а) работает следующим образом.

В отсутствие входного сигнала точка имеет нулевой потенциал. На базе каждого транзисторов за счет делителя создается постоянное напряжение смещения , равное падению напряжения на соответствующем диоде и обеспечивающее работу каскада в режиме класса АВ.

Если пренебречь током смещения базы транзистора и положить через каждый диод протекает ток

При положительной полуволне входного напряжения с амплитудой диоды остаются открытыми. Напряжение поступает на базы транзисторов. При этом транзистор запирается, а ток базы транзистора увеличивается на величину

Ток через диод становится равным

где — ток через резистор R при положительном напряжении .

Ток станет равным нулю, т. е. диод закроется, при максимальном значении , которое можно определить из формулы (4.84), положив в ней . После преобразований получим

Таким образом, для расширения динамического диапазона входного сигнала необходимо уменьшать сопротивление резистора R в цепи смещения. Однако при уменьшении R шунтируется входное сопротивление эмиттерного повторителя, составляющего плечо каскада.

При отрицательной полуволне входного напряжения запирается транзистор и увеличивается ток транзистора .

Процессы преобразования входного сигнала в каскаде усиления мощности для положительной и отрицательной полуволн протекают в принципе одинаково. Поэтому формулы (4.83) и (4.84) Для обеих полуволн входного сигнала идентичны и отличаются лишь индексами, соответствующими открытому транзистору.

Графический расчет бестрансформаторного каскада производится по выходным характеристикам транзисторов и не отличается от графического расчета каскада с использованием . При этом роль сопротивления в бестрансформаторном каскаде играет сопротивление .

Для определения входного сопротивления, входной мощности и нелинейных искажений бестрансформаторного каскада следует пользоваться динамическими входными характеристиками, при построении которых по оси абсцисс следует откладывать не напряжение , а напряжение .

Наличие двух источников питания в схеме рис. 4.27, а может вызвать определенные неудобства при пользовании схемой. Для замены двух источников питания одним последовательно с нагрузкой включают разделительный конденсатор достаточно большой емкости (рис. ). По постоянному току транзисторы схемы включены последовательно. Поэтому при идентичных параметрах транзисторов постоянное напряжение на раздельном конденсаторе составляет и является «источником питания» для транзистора .

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора равно .

Для исключения искажений выходного сигнала за счет конденсатора необходимо, чтобы напряжение оставалось постоянным в течение отрицательного полупериода (транзистор открыт) входного синусоидального сигнала с частотой, соответствующей низшей частоте полосы пропускания. Тогда изменение напряжения на нагрузке будет определяться изменением напряжения на эмиттере открытого транзистора .

Емкость конденсатора выбирают, пользуясь соотношением

где — выходное сопротивление эмиттерного повторителя одного из плеч усилителя.

Методика расчета каскада не отличается от методики расчета рассмотренных каскадов усиления мощности, т. е. производится с использованием статических характеристик транзистора одного плеча. При этом следует учесть, что рабочая точка покоя соответствует уровню напряжения питания транзистора одного плеча .

Недостатком бестрансформаторных каскадов, приведенных на рис. 4.27, является большое различие параметров у разных типов электропроводностей. Для устранения этого недостатка промышленностью выпускаются «пары» транзисторов с одинаковыми параметрами, но разным типом электропроводности, так называемые комплементарные транзисторы, ассорти мент которых соответствует различным уровням выходной мощ ности усилителя, например .

Чтобы увеличить нагрузочную мощность усилителей мощности, выполненных на основе эмиттерных повторителей, используют составные транзисторы. Принципиальная схема такого усилителя мощности приведена на рис. 4.28. В схеме (рис. 4.28) вместо резисторов R, определяющих ток диодов смещения применяют источники постоянного тока I, позволяющие расширить динамический диапазон входного сигнала.

Действительно, заменяя в формуле на и приравнивая , получим

Кроме того, источники постоянного тока, обладая высоким внутренним сопротивлением, не шунтируют высокое входное сопротивление эмиттерных повторителей на составных транзисторах , что также является существенным преимуществом источника тока перед обычными резисторами .

В качестве источника постоянного тока можно использовать транзистор, включенный по схеме с общей базой, входная цепь которого обеспечивает постоянство тока эмиттера, т. е. . Тогда при различных изменениях коллекторного напряжения рабочая точка будет перемещаться только по одной ветви семейства выходных характеристик (рис. 4.29) и ток коллектора останется практически постоянным.

Рис. 4.28.

Рис. 4.29.

Точнее, изменение коллекторного тока при изменении коллекторного напряжения транзистора и постоянном токе эмиттера определяется значением дифференциального сопротивления коллекторного перехода

которое в схеме ОБ велико и составляет несколько (сравните с в схеме ОЭ).

В схеме рис. 4.30 источники постоянного тока выполнены на транзисторах . Через каждый из транзисторов протекает ток

где — падение напряжения на резисторе или напряжение стабилизации стабилитрона , которое, очевидно, должно превышать напряжение на эмиттерном переходе транзистора .

Кроме стабилитронов в цепях смещения транзистора можно использовать светодиод с красным свечением, падение напряжения на котором в открытом состоянии составляет 1,8 В, или два последовательно включенных выпрямительных диода.

Ток эмиттера транзистора выбирается из условия

где — амплитуда базового тока транзистора .

Рис. 4.30.

Ток в делителе выбирается равным коллекторному току транзистора . Тогда сопротивления находятся из формулы

где — падение напряжения на резисторе .

Составные транзисторы ухудшают термостабильность усилителя мощности, так как необходимо скомпенсировать изменения напряжения на переходах эмиттер — база четырех транзисторов.

Рис. 4.31.

Термостабильность схемы повысится, если выходные транзисторы в режиме покоя будут закрыты. Для этого эмиттерные переходы транзисторов шунтируются резисторами . Сопротивления и выбираются такими, чтобы падение напряжения на них от протекания токов смещения составляло , чем и обеспечивается закрытое состояние выходных транзисторов.

В динамическом режиме работы схемы, т. е. при поступлении входного сигнала, ток через резисторы не превышает значения .

Максимальные напряжения на эмиттерных переходах выходных транзисторов составляют примерно 0,8 В.

Если в схеме усилителя рис. 4.28 невозможно подобрать комплементарные транзисторы, соответствующие заданному уровню мощности, то комплементарные выходные транзисторы заменяют транзисторами одного типа электропроводности. В схеме усилителя мощности (рис. 4.31) транзисторы имеют один тип электропроводности и образуют классический составной транзистор с коэффициентом усиления тока базы , равным произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов (см. рис. 4.18, а).

Транзисторы имеют различный тип электропроводности, и их комбинация также представляет собой составной транзистор, изображенный на рис. .

Коэффициент усиления тока базы составного транзистора нижнего плеча мало отличается от коэффициента усиления тока базы составного транзистора верхнего плеча.

Резисторы , как уже отмечалось, задают режим выходных транзисторов . Падения напряжения на них в отсутствие входного сигнала при протекании тока покоя транзистора определяют положение рабочей точки покоя соответствующего транзистора и обычно принимаются равными 0,4 В. При этом выходные транзисторы закрыты.

Каждое плечо схемы работает с глубокой отрицательной обратной связью, поэтому асимметрия схемы существенно не сказывается на форме выходного напряжения.

В схемах рис. 4.28, 4.31 заданную мощность обеспечивают транзисторы . Транзисторы управляют базовыми токами и могут быть рассчитаны на мощность, много меньшую заданной, что существенно облегчает их подбор.

Схемы усилителей мощности на составных транзисторах позволяют выделить в нагрузке мощность до .