Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления

Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь усили­тельных элементов без выходного трансформатора позволяет уст­ранить вносимые последним частотные, фазовые и нелинейные искажения, уменьшить габаритные размеры, массу, объем и стои­мость каскада, повысить его КПД и избавиться от нелинейных ис­кажений, вызываемых отсечкой тока в режиме В. Однако в обыч­ных однотактных схемах непосредственное включение нагрузки оказывается невозможным из-за прохождения через нагрузку по­стоянной составляющей тока, вызывающего резкое уменьшение от­даваемой каскадом мощности и его коэффициента полезного дей­ствия. Прохождение постоянной составляющей тока через нагруз­ку и связанное с этим снижение КПД, а также вносимые транс­форматором искажения и потери отсутствуют в схемах бестранс­форматорных двухтактных каскадов, имеющих несколько разно­видностей. Одной из них является бестрансформаторный двух­тактный каскад с параллельным (несимметричным) выходом, ва­рианты схем которого изображены на рис. 2.5.5 (цепи подачи смещения на управляющие электроды усилительных элементов здесь не показаны). Каскады типа рис. 2.5.5 требуют подачи на вход двух равных напряжений сигнала противоположных полярностей, которые, как и в обычной двухтактной схеме, подаются от инверс­ного каскада. Питание коллекторных цепей транзисторов в схеме рис. 2.5.5а производится от двух одинаковых источников питания, соединенных последовательно, или от одного источника со средней точкой. Если желательно использовать один источник питания без средней точки, применяют схему рис. 2.5.5б; нагрузку здесь вклю­чают через разделительный конденсатор С. При одинаковых верх­ней и нижней половинках схемы рис. 2.5.5а постоянная составляю­щая тока через нагрузку R_н включенную в средний провод, не проходит, так как средние значения токов питания плеч I_~1 и I_~2 равные по величине, в этом проводе направлены в противоположные стороны и взаимно уничтожаются. Переменные составляющие токов плеч I_~1 и I_~2 проходят через нагрузку в одном направле­нии и складываются.

Рис. 2.5.5. Транзисторные бестрансформаторные двухтактные каскады с несим­метричным выходом: а — с двумя источниками питания или одним источником со средней точкой; б — с одним источником питания без средней точки, но с разделительным кон­денсатором.

В схемах рис. 2.5.5 усилительные элементы по отношению к ис­точнику (или источникам) питания, т. е. по постоянному току, включены последовательно, а по отношению к нагрузке или по пе­ременному току — параллельно; последнее снижает расчетное со­противление нагрузки и приближает его к сопротивлению обычных электродинамических громкоговорителей.

Напряжение питания и режим работы каскада выбирают таки­ми, чтобы заданное сопротивление нагрузки R_H обеспечивало пол­ное использование усилительных элементов как по току, так и по напряжению. В транзисторных каскадах, работающих на громко­говоритель, напряжение питания Е и режим работы каскада под­бирают так, чтобы сопротивление громкоговорителя оказалось равным расчетному сопротивлению коллекторной нагрузки.

Рассмотренный бестрансформаторный двухтактный каскад можно упростить, если использовать в нем транзисторы с одинако­выми параметрами и характеристиками, но с противоположным характером проводимости — в одном плече транзистор типа p-n-p, в другом — транзистор типа n-p-n. Такой каскад не нужда­ется в инверсном каскаде, так как входные цепи его плечей .можно объединить; при подаче одного и того же напряжения сигнала на управляющие элек­троды обоих плеч ток в одном плече будет расти, а в другом - падать и схема будет работать как двухтактная. Схемы типа рис. 2.5.6 представляют собой двухтактный каскад с несим­метричными выходом и входом;иногда их называют двух­тактными каскадами с допол­нительной симметрией— в них, так же как и в схемах рис. 2.5.5, вы­ходные цепи усилительных элементов по постоянному току вклю­чены последовательно, а по переменному — параллельно. Каскады с дополнительной симметрией при работе как в режиме А, так и в режиме В позволяют использовать в качестве предыдущего каскада не инверсный, а обычный однотактный резисторный каскад даже без разделительного конденсатора (рис. 2.5.7).

Бестрансформаторные каскады типа рис. 2.5.5 и 2.5.21 могут ра­ботать как в режиме А, так и в режиме В; три работе в режиме А их максимальный КПД теоретически равен 50%, а в режиме В—78,6%, как и у трансформаторных каскадов. Реальный же КПД у бестрансформаторных каскадов обычно оказывается выше, чем у трансформаторных, так как у них отсутствуют потери в трансформаторе.

Способы включения транзисторов в бестрансформаторных двухтактных каскадах теоретически могут быть любыми, однако в практических схемах в большинстве случаев транзисторы оказы­ваются включенными с общим коллектором и реже с общим эмит­тером.

Рис. 2.5.6. Бестрансформаторные двухтактные каскады с несимметричными входом и выходом (двухтактные каскады с дополнительной симметрией): а – с двумя источниками питания; б – с одним источником питания и разделительным конденсатором.

Если в двухтактных каскадах типа рис. 2.5.5 с транзисторами одинаковой проводимости подводить один, входной сигнал между точками Аи Б(U_ВХ2 на рис. 2.5.5), а второй — между точками Аи Г(U_ВХ3 на рис. 2.5.5), что имеет место при предыдущем ре­зисторном инверсном каскаде с разделенной нагрузкой, то ниж­ний транзистор T₂ будет работать с общим эмиттером и давать большое усиление как тока, так и напряжения сигнала. Верхний же транзистор Т₁ в этом случае оказывается включенным с об­щим коллектором, так как между его эмиттером и общим прово­дом схемы Аимеется все выходное напряжение U_вых. Поэтому для симметричной работы плеч схемы напряжение сигнала между точками Аи Гдолжно во много раз превышать U_вх2 и быть рав­ным U_вх3 = U_вх1 + U_вых, что требует применения специальной схе­мы инверсного каскада с разделенной нагрузкой. Однако в настоящее время такую схему почти не используют из-за затруднений, возникающих при работе ее на бестрансформаторный каскад в режиме В.

При трансформаторном предыдущем инверсном каскаде напря­жения сигнала во входные цепи транзисторов Т₁ и Т₂ схемы рис. 2.5.5 можно подавать от двух отдельных одинаковых вторичных обмоток, подключив одну из них между точками А и Б, а вто­рую — между точками В и Г; в этом случае оба транзистора бу­дут работать с общими эмиттерами и давать большое и одина­ковое усиление.

В бестрансформаторных двухтактных каскадах с дополнитель­ной симметрией типа рис. 2.5.6 при подведении входного напряже­ния сигнала между точками А и В, что имеет место при исполь­зовании резисторного предыдущего каскада (см. рис. 2.5.7), оба транзистора двухтактной бестрансформаторной схемы оказывают­ся включенными с общими коллекторами, вследствие чего, подаваемое на вход напряжение сигнала здесь должно быть больше выходного напряжения. Но если в этих схемах напряжение вход­ного сигнала подводить между точками Б и В, что возможно при трансформаторном предыдущем каскаде, оба транзистора схемы будут работать с общими эмиттерами и давать одинаковое уси­ление.

При резисторном предыдущем каскаде и напряжении источника питания Е напряжение питания плеча бестрансформаторного каскада равно 0,5Е и при полном использовании этого напряже­ния максимальная амплитуда выходного сигнала получается не­много меньше 0,5Е из-за остаточного напряжения на транзисторах. На вход бестрансформаторного каскада для полного использова­ния напряжения питания нужно подавать сигнал, равный пример­но 0,5Е. Но резисторный каскад отдает напряжение сигнала, близкое к этому значению лишь при сопротивлении нагрузки цепи коллектора переменному току R_~, равном сопротивлению нагруз­ки постоянному току R₌.

При соединении верхнего конца резистора R с источником пи­тания R_~ резисторного каскада, равное параллельному соедине­нию R и входного сопротивления двухтактного каскада, оказывается значительно меньше R₌≈R. При этом отдаваемая резистор­ным каскадом амплитуда сигнала не превышает (0,25—0,3) Е, транзисторы и питание выходного каскада используются непол­ностью, а его КПД и отдаваемая мощность снижаются. Для уст­ранения этого недостатка нагрузку выходного каскада можно включить между верхним проводом питания и конденсатором С , а верхний конец резистора R подключить к точке соединения С и R_B (рис. 2.5.7). В этом случае на резисторе R будет падать не вы­ходное напряжение резисторного каскада, а в десятки раз мень­шее напряжение сигнала база-эмиттер выходных транзисторов и R_~ резисторного каскада будет практически равно входному сопротивлению двухтактного каскада, которое может быть сдела­но близким к R₌=R или равным ему. При этом сигнал на входе двухтактного каскада будет достаточен для хорошего использова­ния транзисторов и питания, а КПД и отдаваемая мощность близ­ки к теоретическому пределу.

Хотя бестрансформаторные каскады типа рис. 2.5.5 и 2.5.6 мо­гут работать как в режиме А, так и в режиме В, их почти всегда используют в режиме В, так как это уменьшает расход энергии питания. В отсутствие трансформаторов здесь нетрудно охватить выходной и один или два предыдущих каскада общей петлей об­ратной связи и получить коэффициент гармоник всего устройства при работе оконечного каскада в режиме В без подбора транзис­торов в плечах схемы и полной выходной мощности порядка де­сятых долей процента и ниже.

В схеме рис. 2.5.7 напряжение смещения входных цепей тран­зисторов Т₂ и Т₃, необходимое для уменьшения нелинейных иска­жений слабых сигналов при работе каскада в режиме В, снима­ется с температурно-зависимого резистора R_c, шунтированного конденсатором С_ш для устранения падения на нем напряжения сигнала; R_c и С_ш можно заменить подходящим диодом Д, включенным в проводящем направлении, как это сделано на рис. 2.5.8. Резистор R_д1 на рис. 2.5.7 является резистором коллекторной стабилизации, так как использование эмиттерной стабилизации здесь нежелательно из-за снижения и без того недостаточного напряже­ния питания резисторного каскада с транзистором Т₁.

Бестрансформаторные каскады с большой выходной мощностью требуют большой ток входного сигнала, и при схеме усилителя,

изображенной на рис. 2.5.7, в которой транзистор предыдущего каскада Т₁должен работать в режиме А, этот транзистор потребляет значительную мощность от источника питания, что заметно увеличивает расход энергии на питание устройства. Для уменьше­ния входного тока сигнала и потребляемой предыдущим каскадом мощности питания транзисторы бестрансформаторного каскада не­редко делают составными.

Широкое применение бестрансформаторных усилительных уст­ройств с большой выходной мощностью и двухтактным выходным каскадом с дополнительной симметрией типа рис. 2.5.6 затрудняет­ся малым выбором пар p-n-p- и n-p-n- транзисторов большой мощности. Для устранения этого затруднения бестрансформаторный выходной каскад можно собрать по схеме рис. 2.5.5 на тран­зисторах большой мощности одинаковой проводимости Т₄ и Т₅, а от необходимости применения инверсного каскада избавиться вве­дением в схему p-n-p- и n-p-n- транзисторов малой мощности Т₂ и Т₃, образующих с транзисторами Т₄, и Т₅ составные транзисторы и выполняющих роль инверсного каскада (рис. 2.5.8). С резисторов R_б.э здесь снимаются одинаковые напряжения сигнала противопо­ложной полярности на транзисторы Т₄, и T₅, резисторы R_э, пока­занные пунктиром, не обязательны — их введение лишь улучшает стабильность работы схемы.

В интегральных схемах технологически удобно делать все тран­зисторы одной проводимости; это условие в схемах рис. 2.5.6—2.5.8 не выполняется. Схема рис. 2.5.5, хотя и содержит транзисторы од­ной проводимости, но требует применения специального инверсного каскада, не удобного для выполнения по интегральной техноло­гии и для работы в режиме В; поэтому схемы рис. 2.5.5—2.5.25 обычно собирают из отдельных компонентов.

Бестрансформаторный двухтактный каскад мощного усиления, позволяющий обойтись без инверсного каскада, можно осущест­вить с транзисторами одной проводимости, если сигнал от внешне­го источника или предыдущего каскада подать на вход одного плеча, называемого ведущим, а противоположный по фазе сигнал на вход второго плеча, называемого ведомым, подать с выхода ве­дущего плеча. Такие каскады называют двухтактными каскадами с последовательным управлением, в отличие от рассмотренных вы­ше двухтактных каскадов с параллельным управлением, в которых сигнал от предыдущего каскада подают на оба плеча схемы.

Рис. 2.5.9. Упрощенный вариант бестрансформаторного двухтактного каскада, работающего в режиме В, применяемый в интегральных схемах.

По указанным причинам в интегральных схемах мощного уси­ления работающий в режиме В двухтактный выходной каскад обычно делают с последовательным управлением. Устройство и принцип действия одного из вариантов такой схемы поясняет рис. 2.5.9; ведущим плечом здесь является транзистор Т₁ включен­ный с общим эмиттером и работающий в режиме В с малым то­ком покоя через диод Д на нагрузку R_H в течение первого полупериода сигнала, открывающего транзи­стор Т₁ и диод. Полярность сигнала в этот полупериод на входе транзистора и на диоде показана на рисунке знаками ( + ) и (—). Ведомым плечом схемы здесь является составной транзистор Т₂— Т₃, на вход которого поступает напряже­ние сигнала с диода Д, находящегося в выходной цепи ведущего плеча. Состав­ной транзистор Т₂—Т₃ также работает в режиме В с малым током покоя и почти полностью закрывается во время первого полупериода напряжением сигнала, па­дающим на диоде. Во время второго по­лупериода указанная на рисунке поляр­ность сигнала меняется на обратную, транзистор Т₁ и диод почти полностью закрываются, а изменив­шаяся полярность сигнала на диоде открывает составной транзи­стор, который и работает в течение второго полупериода на нагруз­ку R_н. Резистор R, показанный на рис. 2.5.9 пунктиром, не является необходимым; его включение позволяет улучшить свойства состав­ного транзистора.

Для упрощения схемы рис. 2.5.9 на ней не показаны цепи сме­щения ведущего и ведомого плеча, а также компоненты стабили­зации точек покоя плеч. Недостатком схем типа рис. 2.5.9 является сильная асимметрия ведущего и ведомого плеч, которая и позво­ляет осуществить работу каскада с последовательным управлени­ем в режиме В; эта асимметрия и особенности интегральной тех­нологии заставляют вводить в схему глубокую отрицательную обратную связь для получения допустимой величины нелинейности устройства (коэффициента гармоник) при полной выходной мощ­ности.