Расчет двухтактного выходного каскада класса В

Двухтактные выходные каскады классаВ характеризуются высоким к. п. д. выходной цепи при максимальном сигнале (до 78%) и пониженным расходом энергии источника питания при слабом сигнале или отсутствии сигнала. В чистом виде режим класса В почти никогда не применяется из-за искажений, появляющихся при нулевом смещении. Причиной искажений является нелинейность характеристики тока базы при малых токах. Для устранения искажений на базу подают небольшое напряжение смещения в прямом направлении.

Типовая схема двухтактного выходного каскада, работающего в классе В, приведена на рис. 4.4. Смещение на базу создается с помощью делителя R₁, R₂.

Выбор транзисторов для двухтактного каскада, работающего в классе В, производится с учетом выполнения следующих условий:

; U_к.доп > 2Е. (4.16)

Здесь Р_н — полезная мощность в нагрузке; _тр – к.п.д. выходного трансформатора ( _тр = 0,5 – 0,7); Е – напряжение источника питания; Р_к.доп – допустимая мощность, рассеиваемая, на коллекторе; U_{к. доп} – допустимое напряжение на коллекторе.

Для выбора режима транзисторов в двухтактном выходном каскаде класса В на семействе выходных статических характеристик (рис. 4.5) следует определить границы линейной области. Минимальное напряжение на коллекторе U_{к мин} должно соответствовать началу линейного участка характеристик коллекторного тока (для маломощных транзисторов U_{к мин} = 0,5 – 1,0 В). Ток коллектора в точке покоя I_к0 выбирается равным 3 – 5% максимального тока для данного типа транзистора (для маломощных транзисторов I_к0 = = 0,6 – 1 мА).

Точка покоя будет находиться на пересечении прямой U_K = U_K0 ≈ Е и прямой I_к = I_к0 (точка П на рис. 4.5). Напряжение смещения на базу определяется по входной характеристике. Максимальный неискаженный сигнал будет соответствовать отрезку ПА нагрузочной прямой для переменного тока.

Рис. 4.4. Схема двухтактного выходного каскада с трансформатором

Рис. 4.5. Динамическая характеристика двухтактного выходного каскада

Максимальная полезная мощность на нагрузке может быть определена по формуле

. (4.17)

Наибольшая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,

. (4.18)

Величина сопротивления нагрузки в цепи коллектора транзисторов

. (4.19)

Требуемый коэффициент трансформации выходного трансформатора

. (4.20)

Сопротивления в цепи баз транзисторов выбирают из условий стабилизации режима. Если усилитель предназначен для работы в узком интервале температур, для повышения его экономичности при расчете делителя в цепи баз следует выбирать ток делителя равным максимальному току базы одного транзистора или несколько меньше.

Пример. Выбрать оптимальный режим транзисторов П201 для работы в двухтактном каскаде класса В при напряжении питания 12 В. Сопротивление нагрузки – 5 Ом.

Принимаем U_{к мин} = 1 В; I_к0 = 0, 05A (рис. 4.5) и ориентировочно определяем величину тока базы I_б0 = 2 мА. По входной характеристике (рис. 4.6) для U_к = 12 В ориентировочно определяем напряжение смещения на базу U_б0 = 0,3 В. Максимальное значение тока коллектора для транзисторов типа П201 I_{к макс} = 1,5 А. Принимаем _тр = 0,6.

.

; .

Величина напряжения смещения на базу уточняется при наладке усилителя.

Рис. 4.7. Схема двухтактного выходного каскада с общим коллектором

Рис. 4.6. Входные характеристики транзистора П201

Двухтактный оконечный каскад по схеме с общим коллектором (рис. 4.7) целесообразно использовать, при пониженном напряжении источники питания. Для снижении потребляемой от предоконечного каскада мощности в оконечном каскаде использованы сдвоенные транзисторы.

Бестрансформаторные выходные каскады характеризуются простотой схемы, отсутствием нестандартных деталей, высокими качественными показателями, более высокой стабильностью, чем у трансформаторных каскадов, малыми габаритами и весом. Недостатки бестрансформаторных выходных каскадов – меньший коэффициент усиления по мощности, чем у трансформаторных каскадов, следовательно, большая мощность, потребляемая от предоконечного каскада, и более высокий коэффициент гармоник. Применение более глубокой, чем в трансформаторных каскадах, отрицательной обратной связи позволяет снижать коэффициент гармоник до величины, не превышающей коэффициента гармоник и каскадах с трансформаторами.

Самые простые схемы бестрансформаторных выходных каскадов получаются при использовании транзисторов с различными типами проводимости (транзисторы типа n–р–n и типа р–n–р). Для таких выходных каскадов не требуются фазопереворачивающие устройства. На рис. 4.8 приведены схемы двухтактных эмиттерных повторителей на транзисторах с различными типами проводимости. Небольшое напряжение смещения на базы транзисторов создается на резисторах, включенных между базами. Выходная мощность при сопротивлении нагрузки 30 – 40 Ом составляет 100 – 150 мВт.

Схемы бестрансформаторных выходных каскадов на составных транзисторах с различными типами проводимости обеспечивают более высокую чувствительность за счет большего усиления по мощности и меньшие нелинейные искажения. На рис. 4.9, a приведена схема выходного каскада с высоким к. п. д. (до 70%). Каскад работает в классе В и в режиме молчания тока почти не потребляет. Номинальная выходная мощность составляет 250 мВт. Каскад воспроизводит частоты от 200 Гц до 10 кГц. Входное сопротивление – 5–8 кОм.

На рис. 4.9, б представлен вариант включения нагрузки выходного каскада. В такой схеме конденсаторы большой емкости не нужны и требования к идентичности транзисторов снижаются, но при этом необходимо иметь два источника питания. Такую схему целесообразно применять тогда, когда в качестве источников питания используется парное число гальванических элементов или аккумуляторов.

Для уменьшения нелинейных искажений в бестрансформаторных выходных каскадах можно применять режим класса АВ. На рис. 4.10, а приведена практическая схема усилителя с выходным каскадом, работающим в классе АВ. При напряжении питания 9 В усилитель отдает в нагрузку мощность 190 мВт при к. п. д. около 60%, потребляя в режиме молчания ток 2,5 мА. Полоса воспроизводимых частот – от 50 Гц до 20 кГц; входное сопротивление – около 300 Ом; выходное – 20-25 Ом.

Для хорошей работы усилителя необходимо обеспечить равенство напряжений питания на транзисторах VТ4 и VТ5 при изменении напряжения источника питания. С этой целью усилитель охвачен отрицательной обратной синило по постоянному току.

Режим транзисторов по постоянному току устанавливается подбором сопротивлений резистора R4 (при заданном токе коллектора транзистора VT1) или изменением в некоторых пределах тока коллектора транзистора VT1 (при выбранном сопротивлении резистора R4). Режимы транзисторов при различных напряжениях источника питания приведены в табл. 4.1.

а)	б)

Рис. 4.8. Схемы двухтактных эмиттерных, повторителей: а – емкостная связь с предыдущим каскадом; б – непосредственная связь.

а)	б)

Рис. 4.9. Схема бестрансформаторного выходного каскада на составных транзисторах, работающих в классе В (а), и вариант включения нагрузки (б); 1, 2, 3 – точки подключения источников питания и нагрузки.

а)	б)

Рис. 4.10. Схема усилителя с выходным каскадом на составных транзисторах, работающих в классе АВ (а), и вариант включения транзисторов (б); 1 и 2 – точки подключения выходного каскада.

Таблица 4.1

Режим транзисторов и некоторые данные усилителя по схеме 4.10

На рис. 4.10 показан вариант включения транзисторов в выходном каскаде усилителя. При таком включении характеристики усилителя остаются без изменений. Достоинством схемы является возможность включения на выходе усилителя транзисторов одного типа.

Рис. 4.11. Схема усилителя с бестрансформаторным выходом на транзисторах повышенной мощности

Аналогичное включение транзисторов применяется в схеме мощного оконечного усилителя (рис. 4.11). Максимальная выходная мощность усилителя составляет 1,5 Вт при к. п. д. 60% и входном напряжении 0,4 В. Входное сопротивление – около 20 кОм; выходное сопротивление – примерно 1 Ом. Усилитель воспроизводит частоты от 30 Гц до 10 кГц. Коэффициент гармоник – не более 5%.

В усилителе применена отрицательная обратная связь с выхода в цепь эмиттера первого транзистора и отрицательная обратная связь по постоянному току, напряжение которой подается через резистор R9 (7,5 кОм) в цепь базы второго транзистора. Обратная связь по постоянному току стабилизирует режим транзисторов при изменении температуры. С этой же целью для смещения в цепи баз транзисторов VТ3 и VТ4 вместо резистора включен диод Д7Г.

Коэффициент усиления по току транзисторов VТ3, VТ4, VТ5 и VТ6 должен составлять приблизительно 30 – 60. Желательно, чтобы коэффициенты усиления перечисленных транзисторов были равны. В крайнем случае необходимо обеспечить равенство . Обратные токи коллекторов должны быть по возможности минимальными.

Ниже приводятся основные расчетные соотношения для бестрансформаторных каскадов.

Амплитуда напряжения на нагрузке

,

где Е – напряжение источника питания; Е – напряжение на коллекторе, при котором начинается прямолинейный участок статических характеристик коллекторного тока. Величина Е зависит от тока коллектора и типа транзистора (обычно Е = 0,5 – 1,5 В).

Мощность в нагрузке

,

где R_н – сопротивление нагрузки. Максимальный ток коллектора

.

Средний ток, потребляемый от источника питания,

.

Коэффициент полезного действия

.

Мощность, рассеиваемая на транзисторе,

.

Если напряжение источника питания не задано, его можно определить по формуле

.

Пользуясь приведенными выше соотношениями, можно выбрать тип транзистора. Величины Р_к, I_кm и максимальное напряжение на коллекторе U_кm не должны превышать допустимых для выбранного транзистора. Величина U_кm в бестрансформаторных каскадах не превышает напряжения источника питания Е.

Пример. Выбрать тип транзистора для бестрансформаторного выходного каскада усилителя. Напряжение источника питания 12,6 В. Сопротивление нагрузки 6 Ом.

; ; ; ;

;

Можно выбрать транзисторы типа П201, П202, П213 и др.