Двухтактные выходные каскады в режиме класса В и AB

Принципиальные схемы двухтактных каскадов в классе ВиAB имеют следующий вид: рис. 8.34.

Рис. 8.34

В классе В транзисторы двухтактной схемы работают поочередно. В течение одного полупериода транзистор открыт, в течение другого закрыт. Между базой и эмиттером подается небольшое смещение. Схема может работать и без смещения, при этом выходная мощность максимальна, однако велики нелинейные искажения. Величина тока I_{К МИН} задается такой, чтобы характеристики обоих плеч как бы дополняли друг друга. Ток IК.МИН выбирается равным (0,05…0,15)I_КМ, а напряжение смещения 0,1…0,3 В. Ток в нагрузке складывается из токов обоих транзисторов. В выходном каскаде класса В можно рассчитывать только одно плечо схемы, включающее половину первичной обмотки выходного трансформатора и всю вторичную обмотку (второе плечо во время работы первого можно считать отключенным). Расчеты проводятся графоаналитическим методом:

Мощность, отдаваемая одним плечом:

Р₁ = Р_н / 2η_тр. (8.114)

Мощность, отдаваемая всем каскадом:

Р = Р_н / η_тр, Р = (1 / 2 U_кm) I_кm, (8.115)

где I_кm =I_км − I_{к мин},

U_кm = E_к − U_к._мин − ΔЕ_к. (8.116)

Мощность, потребляемая от источника питания обоими транзисторами, определяется соотношением:

P₀ = 2E_К (I_к.ср+ I_к._мин), (8.117)

где I_к.ср = I_кm /π – постоянная составляющая.

Электрический к.п.д. без учета потерь в трансформаторе:

; (8.118)

ξ = U_Кm / E_к – коэффициент использования коллекторного напряжения.

При полном использовании коллекторного питания ε = 1:

, т.е. 78,6 %; (8.119)

Рассеиваемая на обоих коллекторах мощность равна:

или (8.120)

.

При ξ =1 и η_макс. максимально отдаваемая в первичную обмотку мощность в 7,34 раза выше рассеиваемой. Рассеиваемая на коллекторах мощность достигает максимума при некоторой промежуточной амплитуде сигнала:

и , тогда рассеиваемая мощность: . (8.121)

Величина ξ*, при которой мощность рассеяния на коллекторе достигает максимума:

.

При этом: .

Тогда: . (8.122)

Таким образом, максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку, не может превышать величины:

; (8.123)

Чтобы избежать перегрева транзисторов необходимо пользоваться неравенством:

. (8.124)

При слишком больших сигналах, когда форма сигнала почти прямоугольная, КПД может достигать 90…95 %, а мощность в нагрузке в 10…20 раз превышает рассеиваемую.

Максимальное (пиковое) значение тока I_кm :

; (8.125)

Остальные параметры рассчитываются также, как и в режиме класса А.

При расчете коэффициента гармоник по передаточной характеристике определяются все токи с учетом коэффициента асимметрии плеч: I_КМ, I_К, I_{К МИН}:

; (8.126)

; (8.127)

; (8.128)

; (8.129) . (8.130)

Амплитуды гармоник тока коллектора определяются формулами:

; (8.131)

; (8.132)

; (8.133)

. (8.134)

Затем по известной формуле определяется коэффициент гармоник двухтактного усилительного каскада класса B.

8.8.5. Бестрансформаторные выходные каскады усилителей

Выходные бестрансформаторные каскады применяются обычно при работе их на низкоомную нагрузку и являются двухтактными. Рабочая точка для уменьшения нелинейных искажений типа «ступеньки» выбирается не в режиме отсечки (класс В), а в режиме класса АВ, поскольку при этом обеспечивается и достаточно высокий К. П. Д. (60…70 %). Если выходной каскад строится на квазикомплементарной паре (т. е. одного типа структуры) транзисторов, то для его работы требуется фазоинверсный каскад. На рис. 8.35 приведена принципиальная электрическая схема на однотипных транзисторах с фазоинверсным трансформатором на входе.

Рис. 8.35

Нагрузка подключается через разделительный конденсатор С_р большой емкости.

Во вторичных обмотках трансформатора действуют сигналы, одинаковые по амплитуде и противоположные по фазе. При наличии на базе VТ1 сигнала положительной полярности данный транзистор открывается, и ток заряда конденсатора протекает через резистор R_Н , в это время нижний транзистор VТ2 закрыт. В следующий полупериод фаза входного сигнала меняется на противоположную, поэтому верхний транзистор закрывается, и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки и открытый транзистор VТ2. Таким образом, в течение одного периода через нагрузку протекают две полуволны тока усиливаемого сигнала в противоположных направлениях.

Резисторы R_б1 … R_б2 служат для задания режима по постоянному току, R_э1 и R_э2 – для уменьшения асимметрии схемы вследствие разброса параметров транзисторов выходного каскада.

Наличие фазоинверсного входного трансформатора не всегда является приемлемым вариантом. Тогда вместо него используется пара транзисторов р-n-р и n-р-n- структуры рис. 8.36. На транзисторе VТ1 выполнен предварительный каскад усиления по схеме с общим эмиттером.

Рис. 8.36

Фазоинверсный каскад собран на транзисторах VТ2 и VТЗ, режим по постоянному току задается с помощью диодов VD1… VD2, которые также обеспечивают и температурную компенсацию рабочей точки. Вследствие того, что транзисторы VТ2 и VТЗ – имеют разную структуру, они открываются и закрываются поочередно и фазы сигналов на их выходах противоположны. Причем транзистор VТ2 включен как эмиттерный повторитель и не изменяет фазу передаваемого сигнала, – транзистор VТЗ – это каскад с общим эмиттером, и фазы сигналов на его входе и выходе противоположны. В остальном робота выходного каскада происходит описанным выше образом.

Схему выходного каскада можно упростить если использовать на выходе комплементарную пару транзисторов с одинаковыми параметрами. Для улучшения эксплуатационных характеристик чаще всего используют составные пары выходных транзисторов структуры р-n-р и n-р-n, так как это позволяет увеличить входное и уменьшить выходное сопротивление. Транзисторы при этом включаются по схеме с общим коллектором. Схема составного транзистора показана на рис. 8.37.

Рис. 8.37

Общий ток коллектора такого включения:

I_КS = I_К1 + I_К2 = b₁×I_б1 + b₂×I_б2 = b₁×I_б1 + b₂×Iэ₁ = b₁×I_б1 + b₂×I_б1(b₁+ 1). (8.135)

Суммарный коэффициент передачи по току:

b_S = I_кS / I_б1 = b₁ + b₁×b₂ + b₂. (8.136)

В связи с тем, что b₁×b₂ >> (b₁+b₂), выражение (8.136) можно упростить:

b_S » b₁×b₂, (8.137)

т. е. суммарный коэффициент передачи по току равен произведению коэффициентов передачи по току отдельных транзисторов. Возможная схема построения выходного каскада на комплементарной паре составных транзисторов показана на рис. 8.38.

Рис. 8.38

Выходное сопротивление можно приближенно рассчитать по формуле:

, (8.138)

где R_Г – сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление:

, (8.139)

где и – коэффициенты передачи по переменному току первого и второго транзистора соответственно.

Для увеличения выходной мощности двухтактного каскада используют биполярный источник питания, при этом можно исключить из схемы разделительный конденсатор на выходе (рис. 8.39).

Рис. 8.39

В этой схеме максимальная амплитуда сигнала на нагрузке примерно в два раза выше, чем в схемах с одним источником питания. В этой схеме можно использовать и составные транзисторы. Постоянная составляющая тока в нагрузке вычитается и при идеальности плеч равна нулю. При подаче переменного сигнала на вход плечи выходного каскада работают поочередно.

Рассмотренные принципы построения выходных каскадов усилителей мощности положены в основу разработок интегральных схем, таких как К174УН7, К174УН14, К174УН19 и ряд других.

8.9. Дифференциальные усилители

Дифференциальным называют усилитель, предназначенный для усиления разности двух сигналов. Его структурная схема имеет вид (рис. 8.40).

Рис. 8.40

В идеальном случае выходное напряжение пропорционально разности напряжений, приложенных к его входам, и коэффициент усиления дифференциального сигнала равен:

(8.140)

где – называется дифференциальным входным сигналом. Полусумма входных сигналов в случае их синфазности называется синфазным входным сигналом. Тогда коэффициент усиления синфазного сигнала находится следующим образом:

(8.141)

Коэффициент усиления каждого плеча будет равен:

(8.142)

(8.143)

При симметрии схемы выполняется условие:

В этом случае:

(8.144)

Если сигнал снимается только с одного выходного плеча, то такой выход называется несимметричным.

В общем случае выходной сигнал, действующий между плечами 1^' и 2^', будет равен:

. (8.145)

Качество дифференциального усилителя оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

(8.146)

Схема дифференциального усилительного каскада в простейшем случае име-

ет вид рис. 8.41.

Рис. 8.41

Рассмотрим работу схемы в случае подачи дифференциального и синфазного сигналов ( R_Н » R_К). В случае подачи дифференциального сигнала приращение токов эмиттеров VT1 и VT2 в резисторе R_э, и в идеальном случае разность:

т. е. усилительный каскад, включенный по схеме с общим эмиттером, при рассмотрении только одного плеча будет иметь усиление

(8.147)

Входное сопротивление (см. 8.65):

(8.148)

Поскольку в цепь эмиттера включен внешний резистор R_э , то необходимо в это выражение ввести поправку, т. е.

(8.149)

и учитывая, что практически всегда выполняется условие

получим

(8.150)

где r_э– сопротивление эмиттерного перехода.

Тогда выражение (8.147) можно преобразовать к виду

(8.151)

Так как при воздействии на входы дифференциального сигнала суммарный ток через резистор R_Э равен нулю, то его можно условно исключить из схемы, т. е. считать, что эмиттеры обоих транзисторов подключены непосредственно к общей точке схемы. С учетом (8.140) коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен:

(8.152)

При подаче синфазного сигнала токи эмиттеров суммируются в резисторе R_Э, поэтому коэффициент усиления синфазного сигнала:

, (8.153)

коэффициент ослабления синфазного сигнала:

(8.154)

В реальных схемах выполняется условие , поэтому

. (8.155)

Таким образом, для увеличения степени подавления синфазного сигнала следует увеличивать величину резистора R_Э, что требует увеличения напряжения питания, а это не всегда является приемлемым. Поэтому вместо резистора R_Э устанавливают транзистор, который, как известно, имеет очень большое сопротивление по переменному току и малое – по постоянному.

В качестве примера на рис. 8.42 приведена интегральная схема дифференциального усилителя К1УТ221.

Рис. 8.42

Резистор или транзистор в цепи эмиттеров дифференциального каскада, имеющий большую величину сопротивления и обеспечивающий высокое постоянство эмиттерных токов, называют генератором стабильного тока (ГСТ). Его выходное сопротивление изменяется от 1/h_22Б при большой величине резистора R_э и до 1/h_22Э при отсутствии его. В этом случае коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется выражением:

, (8.156)

где – сопротивление коллекторного перехода транзистора ГСТ.

Если, например, , а = 50 Ом, то коэффициент ослабления синфазного сигнала получится равным около 80 дБ.

Примерами схем дифференциальных усилителей являются К175УВ2, К118УД1, К198УН1.

Дифференциальные каскады обычно являются входными в схемах операционных усилителей.

8.12. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) – это универсальный усилитель, предназначенный для выполнения линейных математических операций в аналоговых электронных устройствах. ОУ – усилитель с непосредственными связями, высоким коэффициентом усиления, малым выходным и высоким входным сопротивлением.

Рис. 8.43

ОУ обозначается символом, имеющим треугольную (8.43, а) или прямоугольную конфигурацию (рис. 8.43, б). ОУ имеет два входа: неинвертирующий, или прямой (+), так как сигнал на этом входе находится в фазе с сигналом на выходе; инвертирующий вход (–) и общий выход. ОУ может иметь и большее число выводов, предназначенных для частотной коррекции, установки нуля сдвига, регулировки напряжения питания и другие. ОУ обычно питается от двух источников, у одного из которых заземлен отрицательный выход, у другого – положительный.

Согласно ГОСТ 2.759-82, ОУ в схемах обозначается прямоугольником (рис. 8.43, б), в верхней части которого изображается равносторонний треугольник, указывающий направление передачи сигнала. Инвертирующий вход обозначается кружком. Прямоугольник часто разбивается на одно или несколько полей. Одно поле является основным, другие поля – дополнительными. На дополнительных полях указывают назначение выводов: для подключения источников питания, балансировки нуля, коррекции и заземления корпуса интегральной схемы. Для получения нулевого уровня на выходе при отсутствии сигналов на входе используют два источника питания противоположной полярности и осуществляют балансировку схемы. В своей внутренней структуре ОУ содержит несколько усилительных каскадов. Важным свойством ОУ является сильная чувствительность к разности и сумме входных сигналов.

На начальном этапе создания и разработок ОУ строились по четырехкаскадной схеме: первый каскад – симметричный дифференциальный, второй – дифференциальный, но несимметричный, третий – согласующий, а четвертый – мощный выходной каскад. По такой схеме были построены, например, усилители К1УТ401(А, Б), К140УД1А, Б и ряд других. Последующим этапом совершенствования операционных усилителей явилось создание трехкаскадных схем, в которых используются транзисторы p-n-p- и n-p-n-структуры.

Принципиальная схема такого ОУ приведена на рис. 8.44.

Й Рис. 8.44

Здесь первый каскад – дифференциальный, второй – промежуточный усилительный, на входе которого стоит эмиттерный повторитель на VT6. Транзистор VT10 включен по схеме ОЭ с динамической нагрузкой на VT7. Транзисторы VT8 и VT9 обеспечивают задание рабочей точки выходного каскада. Выходной каскад выполнен на транзисторах VT11 и VT14 по двухтактной схеме с защитой от короткого замыкания нагрузки на транзисторах VT12 и VT13. Коррекция частотной характеристики осуществляется конденсатором С_к.

В третьем поколении ОУ во входных каскадах используются супер-бета транзисторы (b = 3000…5000). В ряде случаев для повышения входного сопротивления используются полевые транзисторы.

ОУ характеризуются следующими параметрами: смещение или напряжение сдвига нуля, входные токи смещения, разность входных токов, входное сопротивление, коэффициент ослабления синфазного сигнала, коэффициент шума, выходное напряжение и выходной ток, коэффициент усиления, полоса пропускания, скорость нарастания выходного напряжения, время установления выходного напряжения, время восстановления.

В отличие от обычных усилителей, ОУ характеризуется рядом специфических параметров.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется выражением

(8.157)

Дифференциальным сигналом является напряжение между одним из входов и общей точкой схемы.