Выходные каскады операционных усилителей

Задача выходных каскадов – обеспечить заданную (достаточно большую) мощность в нагрузке и, значит, достаточно большие токи и напряжения. Коэффициент усиления по напряжению для выходных каскадов является второстепенным параметром. На первый план выдвигаются такие параметры, как коэффициент полезного действия и коэффициент нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия определяется как отношение мощности выходного сигнала к мощности, отбираемой от источника питания.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует отличие формы выходного сигнала от формы входного. Это отличие обусловлено нелинейностью передаточной характеристики каскада. Нелинейные искажения характерны появлением в выходном сигнале новых гармоник, отсутствующих во входном сигнале. Коэффициентом нелинейных искажений называют корень квадратный из отношения суммарной мощности высших гармоник на выходе усилителя к мощности первой гармоники. Допустимое значение данного коэффициента диктуется конкретными требованиями к той или иной аппаратуре.

В зависимости от того, как расположена на передаточной характеристике исходная рабочая точка, различают несколько классов усиления: А, В, АВ и др. Эти классы различаются максимальными значениями к.п.д. и величинами нелинейных искажений.

Класс А характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена в середине линейного участка передаточной характеристики. Нелинейные искажения в этом случае минимальны, но к.п.д. мал (не более 25%).

Класс В характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе линейного участка, которая соответствует запертому состоянию транзистора. Выходное напряжение в этом случае оказывается существенно несинусоидальным, т.е. содержит большое число высших гармоник. Коэффициент нелинейных искажений составляет около 70%. Поэтому в таком простейшем варианте класс В не используется.

Для класса В характерна так называемая двухтактная схема, состоящая из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой – отрицательную (рис2). Схема выполнена на комплементарных транзисторах. Нагрузка включена в эмиттерную цепь транзисторов. Усиление мощности обусловлено усилением тока.

В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны нулю. Во время положительной полуволны входного сигнала открыт n-p-n транзистор, ток через нагрузку протекает по штриховой стрелке 1. Во время отрицательной полуволны открыт p-n-p транзистор и ток протекает по штриховой стрелке 2. Таким образом, выходной сигнал двуполярный, как и входной. Коэффициент усиления по мощности близок к отношению эмиттерного и базового токов. К сожалению, такой простой схеме свойственны большие нелинейные искажения. Их причина связана с наличием "пятки" на входной ВАХ кремниевых транзисторов.

Для устранения отмеченного недостатка усилитель несколько усложняют, вводя раздельные смещения на базы транзисторов с помощью схемы сдвига уровня (рис.3). Поскольку параметры n-p-n и p-n-p т ранзисторов сильно различаются, в качестве транзистора Т2 часто используют составной p-n-p транзистор. Это способствует симметрии выходного сигнала и уменьшению нелинейных искажений. Если нужно строить выходной каскад на однотипных транзисторах, схема выглядит иначе (рис.4). Здесь транзистор Т1 открыт в течение обоих полупериодов. В режиме покоя ток I_к1 и сопротивление R_к выбираются так, чтобы потенциал коллектора U_к1 был равен нулю. При этом диод Д и транзистор Т2

заперты; ток в нагрузке отсутствует. Во время положительной полуволны входного сигнала потенциал U_к1 падает, открывается диод Д, и через нагрузку протекает ток по штриховой стрелке 1. Транзистор Т2 остается запертым, так как прямое напряжение на диоде создает на эмиттерном переходе обратное смещение. Во время отрицательной полуволны потенциал U_к1 повышается, отпирается транзистор Т2, и ток через нагрузку протекает по штриховой стрелке 2. При этом диод заперт, так как прямое напряжение на эмиттерном переходе создает на диоде обратное смещение.

Очевидно, что полуволны напряжения на нагрузке будут одинаковыми только в том случае, если будут одинаковыми коэффициенты усиления положительного и отрицательного входного сигнала. Это достигается при R_к=R_н.

Таким образом, для создания качественных выходных усилителей необходимо обеспечить одинаковое усиление обеих полуволн усиливаемого сигнала.