Выходные каскады усилителей

Назначение выходных каскадов. Выходной каскад предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при высоком кпд и минимальном уровне нелинейных и частотных искажений. Основными эксплуатационными показателями выходного каскада являются отдаваемая в нагрузку полезная мощность и кпд, качественными — уровень нелинейных искажений и полоса пропускания. Нелинейные искажения и кпд каскада зависят от выбора рабочей точки транзистора (электронной лампы). При большой величине сигнала нелинейные искажения в выходных каскадах на транзисторах возникают из-за нелинейности входных и выходных характеристик. При жестких требованиях к уровню нелинейных искажений выходной каскад используют в режиме А, для получения высокого кпд — в режимах АВ и В. ,

Рис. 86. Схемы включения нагрузки в выходные каскады:

а — с непосредственным подключением, б — через резисторно-емкостное устройство, в — с помощью трансформатора и дросселя

Способы подключения нагрузки. По способу подключения нагрузки различают выходные каскады с непосредственным включением нагрузки, резисторные, трансформаторные и дроссельные.

При непосредственном включении нагрузки в выходную цепь усилительного элемента (рис. 86, а) без выходного устройства упрощается схема усилителя, отсутствуют дополнительные потери, а также нелинейные и частотные искажения, которые вносятся выходным устройством. Недостатками непосредственного включения нагрузки являются прохождение через нагрузку постоянной составляющей тока питания и невысокий кпд схемы (около 20 % в транзисторах и 10:% в ламповых схемах усиления).

В резисторных выходных каскадах (рис, 86, б) нагрузка включа в выходную цепь через резисторно-емкостное - выходное устройство. Ток питания через нагрузку не проходит, в схеме отсутствуют дорогие громоздкие детали; обеспечивается пропускание широкой полосы рабочих частот. При включении нагрузки через RС-эле-менты кпд схемы мал (порядка 5 — 6 % на транзисторах и еще меньше в ламповых каскадах), поэтому такое включение целесообразно лишь при небольшой выходной мощности.

Трансформаторные и дроссельные выходные каскады (рис. 86, в) позволяю т получить в нагрузке наибольшую неискаженную мощность. При трансформаторном подключении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не проходит через сопротивление нагрузки, поэтому .уменьшается расход потребляемой мощности питания и повышается кпд. Трансформаторный каскад может обеспечить относительно высокий кпд при различных нагрузках.

Схемы выходных каскадов. Выходные каскады могут быть одно-тактными или двухтактными. Однотактные каскады используются при относительна малых выходных мощностях, двухтактные — при больших. В однотактных схемах транзисторы работают в режиме А, в двухтактных — в режимах А, АВ или В. Наиболее экономичной является двухтактная схема выходного каскада, работающая в режиме В.

В зависимости от требований к отдаваемой мощности и уровню нелинейных искажений-транзисторы в выходных каскадах могут работать с ОЭ или ОБ. Электронные лампы в выходных каскадах обычно включают с общим катодом, что позволяет осуществить возбуждение сигналов с малой амплитудой. Схема с ОЭ обеспечивает наибольшее усиление по мощности, однако в ней возрастают нелинейные искажения, а также неэкономичны по потреблению энергии цепи стабилизации режима. В схеме с ОБ транзисторы могут работать с большим напряжением на коллекторе и иметь сравнительно линейную переходную характеристику. Схема с ОБ позволяет получить меньший коэффициент нелинейных искажений и стабильный режим работы каскада при изменениях температуры, напряжения питания и замене транзистора. В схеме с ОБ велик входной ток сигнала, что требует отдачи большей мощности предварительным каскадам и заставляет выполнять их с транформаторным выходом.

Однотактные выходные каскады. Схемы однотактных выходных каскадов с трансформаторным включением нагрузки с ОЭ и ОБ (рис. 87, а, б) могут быть использованы лишь в режиме А. Для уменьшения коллекторного тока, вызванного изменениями режима, в схемы введены элементы Rэ, Сэ эмиттерной стабилизации.

В схеме с ОБ (см. рис. 87, б) сопротивлением эмиттерной стабилизации является активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора Tpl; если его недостаточно, в цепь эмиттера дополнительно включают резистор Rэ и шунтируют по переменному току конденсатором Сэ.

Обычно оптимальное сопротивление нагрузки выходной цепи для транзисторов составляет десятки — сотни омов, для электронных ламп — единицы килоомов, а сопротивление внешней нагрузки усилителя — единицы — десятки омов (например, сопротивление звуковой катушки головки динамического громкоговорителя 3 — 10 Ом). Непосредственное включение низкоомного сопротивления нагрузки в выходную цепь усилительного элемента вызовет уменьшение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, а также рост нелинейных искажений. Трансформаторное включение нагрузки обеспечивает согласование фактической нагрузки усилителя с оптимальной нагрузкой выходной цепи усилительного элемента.

Рис. 87. Схемы однотактных выходных каскадов: а — с ОЭ, б — с ОБ

Однотактные выходные каскады имеют малый кпд. Использование в схеме более мощных транзисторов позволяет повышать отдаваемую неискаженную мощность. Однако кпд при этом не повышается, а наличие большого подмагничивающего тока в первичной обмотке трансформатора снижает индуктивность и тем самым ухудшает передачу низших частот. Лучшие показатели можно получить от выходного каскада, выполненного по двухтактной схеме.

Рис. 88. Схемы двухтактных усилителей: а — транзисторная, б — ламповая

Двухтактные выходные каскады. Двухтактные трансформаторные усилители (ДТУ) позволяют получить большую выходную мощность полезного сигнала. Выходная мощность каскада определяется типом усилительных приборов и режимом их работы; кпд зависит только от режима работы.

Схема ДТУ состоит из двух идентичных однотактных усилителей (плеч) на транзисторах (рис. 88, а) или электронных лампах» (рис. 88, б), работающих на общую нагрузку. Плечи электрически симметричны (имеют одинаковые параметры усилительных элементов и режимы их питания).

При подаче на входной трансформатор ТрГ усилителя переменного синусоидального напряжения (см. рис. 88, а) снимают с его вторичных полуобмоток равные, но противофазные (сдвинуты на 180°) напряжения UBX1 и UBX2 (рис. 89, а), которые действуют .в Каждом плече между базой и эмиттером транзисторов VI и V2. Токи iK1 и iк2 в коллекторной цепи каждого транзистора в схеме с ОЭ противоположны по фазе управляющим напряжениям на базе (см. рис. 88, а, б), поэтому сдвиг фаз между токами iк1 и шK2 составит также 180° (см. рис. 89): iK1 = IoK1+IKimSinwt; iк2=Iок2 — IK2mSin wt.

Через первичную обмотку выходного трансформатора Тр2 коллекторные токи транзисторов VI и V2 проходят в противоположи ных направлениях, поэтому магнитные потоки, создаваемые ими в сердечнике трансформатора, будут иметь результирующий сдвиг по фазе 360° (на 180° они сдвинуты за счет сдвига напряжений на базах и еще на 180° из-за прохождения токов iK1 и t*K2 в противоположных направлениях). Переменный магнитный поток в сердечнике и ток вторичной обмотки Тр2 (ток нагрузки) пропорциональны разности токов: Ф=KПр(iк1 — ikz) = Дпр(Iок1+Iк1т Sin wt —> Iок2 +Iк2т sin wt), где Kпр — коэффициент пропорциональности.

При идентичности плеч постоянные составляющие коллекторного тока равны Iок1=Iок2. Эти токи проходят по первичной обмотке выходного трансформатора Тр2 в противоположных направлениях, поэтому намагничивающие силы этих токов взаимно компенсируются вследствие чего выходной трансформатор работает без постоянного подмагничивания.

Рис. 89. Напряжение (а) и токи (б) в двухтактной схеме в режиме В

Поскольку Iк1т=Iк2т=Iкт, переменный магнитный поток Ф= Кпр(1к1т Sin wt + Iк2т sin wt) = 2KПрIкт sin wt.

Во вторичной обмотке выходного трансформатора под действием этого потока будет индуктироваться эдс, пропорциональная удвоенной амплитуде переменного коллекторного тока. В результате мощность, отдаваемая двухтактным усилителем, будет вдвое больше мощности, отдаваемой транзистором каждого плеча каскада.

В Двухтактной схеме Компенсируются четные гармоники усиливаемого тока. Гармоники совпадают по фазе, но проходят в-противоположных направлениях по полуобмоткам трансформатора Тр2$ вследствие чего компенсируются их магнитные потоки и уменьшаются нелинейные искажения усилителя. Уровень нелинейных искажений возрастает при несимметрии схемы (неидентичности параметров транзисторов или ламп в плечах схемы).

Рис. 90. Графики токового напряжения в двухтактной схеме в режиме В

Двухтактные выходные каскады допускают использование режимов А, АВ и В. Наиболее часто они работают в режиме В, при котором рабочая точка выбирается в области отсечки коллекторного тока-(см. рис. 80,6). В исходном состоянии в этом режиме транзисторы закрыты. При подаче даже слабого сигнала один из транзисторов открывается. Смена состояний транзисторов будет происходить через половину периода усиливаемых колебаний.

Графики физических процессов в ДТУ, работающем в режиме В, показаны на рис. 90. Для более эффективного использования транзисторов выбирают напряжения UKm=EK, Iкт=Iк.макс, т. е. напряжение питания и амплитуду выходного тока ограничивают значениями Eк<Uк.макс; Iкт+Iк.мин<Iк.макс. Поскольку плечи работают поочередно, каждое плечо отдает мощность Р' = Р" = Pн/2n.

Мощность, отдаваемая всем каскадом, Р=Рн/nтр=0,5 IктUкт,

где Iкт = Iк.макс — Iк.мин; Uкт = Eк — (Uк.мин+АEк).

Мощность, потребляемая от источника питания обоими транзисторами Ро = 2Eк(Iк.ср + Iк.мин), где 1«.ср = 1кт1п — постоянная составляющая полусинусоидального импульса выходного тока с амплитудой Iкт.

Электрический кпд каскада (без учета потерь в трансформаторе)

здесь Uкт/Eк=Е — коэффициент использования коллекторного источника. При Iкт>пIк.мин кпд nв~пз/4; при полном использовании коллекторного источника (з=1) кпд nв=nмакс=п/4=0,786, т.; е. 78,6%.

Мощность, выделяемая на коллекторах обоих транзисторов, 2РК=Р0 — P=PI(nв — Р)=Р(1 — nв)/nв.

Чтобы избежать перегрузки транзисторов, мощность, отдаваемая нагрузке двухтактным выходным каскадом в режиме В, Рк.макс> (0,25-0,3) РН/nТР. При большом уровне входного сигнала транзисторы большую часть полупериода работают в режиме насыщения с верхней отсечкой коллекторного тока, форма выходного сигнала приближается к прямоугольной.

При этом кпд может достигать 90 — 95 %, а мощность в нагрузке в 10 — 20 раз превышает мощность рассеивания на коллекторе.

Рис. 91. Бестрансформаторные выходные каскады усилителей:

а — на разноструктурных транзисторах, б — на составных транзисторах

К преимуществам двухтактных схем относят: уменьшение нелинейных искажений по сравнению с однотактными схемами при одинаковой полезной мощности; отсутствие подмагничивания сердечника выходного трансформатора, что облегчает его конструкцию; меньшую чувствительность к пульсациям питающего напряжения, фону вследствие компенсации магнитных потоков, возбуждаемых противофазными коллекторными токами; снижение влияния на каскады предварительного усиления через источники питания из-за компенсации токов сигнала в питающих проводах, что позволяет упростить развязывающие фильтры.

Бестрансформаторные выходные каскады. Эти каскады выполняются на транзисторах с одинаковыми параметрами, но с различным типом проводимости (со структурами р-n-р и n-р-n, рис. 91, а). При этом отпадает потребность во входном трансформаторе, инвертирующем сигнал на входе каскада. В такой схеме из-за различной проводимости транзисторы будут работать поочередно при подаче на вход переменного напряжения от обычного .усилительного каскада. Небольшое напряжение питания позволяет исключить и выходной трансформатор.

Бестрансформаторные каскады просты в исполнении, высокостабильны, малогабаритны, однако имеют меньший коэффициент |усиления по мощности, значительные нелинейные искажения, потребляют большую мощность предоконечных каскадов. Нелинейные искажения можно скомпенсировать введением более глубокой ООС.

Схемы бестрансформаторных выходных каскадов на составных транзисторах с различным типом проводимости (рис. 91, б) обеспечивают более высокую чувствительность (за счет большего усиления по мощности) и меньшие нелинейные искажения.

Содержание раздела