Двухтактные выходные усилительные каскады

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью показана на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью

Она выполнена на двух транзисторахТ₁ и Т_г. Нагрузка подключа­ется к каскаду с помощью вы­ходного трансформатора Тр2. Коллекторная цепь транзистора Т1 подключена к первой сек­ции его первичной обмотки ω_2-1, а транзистора Т₂ - ко второй секции ω_2-2. Отношение чисел витков первичной и вто­ричной обмоток определяется коэффициентом трансформации n₂ = ω_2-1/ ω_н = ω_2-2/ ω_н. Схе­ма соединения обмоток пока­зана на рис. 2.23. Трансформа­тор Тр1, имеющий коэффициент трансформации п₁ = ω_вх/ ω_1-1 = ω_вх/ ω_1-2, выполняет функцию входного трансформатора каскада. Он обеспечивает подачу входного сигнала на базовые цепи обоих транзисторов. В случае многокаскадного усилителя обмотка ω_вх трансформатора Тр1 включена в коллекторную цепь предвыходного каскада, выполненного по схеме однотактного усилителя с трансформаторной связью (см. рис. 2.21).

Двухтактный каскад может работать в режиме класса В или АВ. Режим класса АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R₁, R₂напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источ­ника питания Е_к. В режиме класса В начальное смещение не создается и резистор R₁ отсутствует. Резистор R₂при этом используется для обеспечения работы входных цепей транзисторов в режиме, близком к режиму источника тока.

Рассмотрим сначала работу схемы в режиме класса В.

В отсутствие входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов относительно их эмиттеров равны нулю. Если не учитывать обратные токи коллекторных переходов I_к0 обоих транзисторов, то можно считать, что токи в усилителе равны нулю. Напряжение на нагрузке также равно нулю. К коллектору каждого транзистора относительно эмиттера приложено постоянное напряжение источника питания Е_к.

При подаче входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке ω_1-1трансформатора Тр₁ действует отрицательная относительно общей точки обмоток полуволна напря­жения, а на вторичной обмотке ω_1-2 — положительная полуволна. В результате транзистор Т₂ остается закрытым, а через входную цепь транзистора Т₁ протекает базовый ток i_б1, обусловленный полуволной напряжения на обмотке ω_1-1. При этом транзистор Т₁ открыва­ется и через него протекает коллекторный ток i_к1 = β i_б1, а в обмотке ω_2-1 создается напряжение и_2-1= i_к1 R_н~ = i_к1 n₂² R_н . На нагрузке действует положительная полуволна напряжения и_н = и_2-1 /п₂.

При поступлении на вход каскада отрицательной полуволны на­пряжения полярность напряжений на вторичных обмотках входного трансформатора изменяется на обратную. Теперь в закрытом сос­тоянии будет находиться транзистор Т₁, а в усилении сигнала будет участвовать транзистор Т₂. На обмотке ω_2-2 трансформатора Тр₂ от протекания тока i_к2 = β i_б2 (при одинаковых коэффициентах β обоих транзисторов) создается напряжение той же величины, которое будет трансформироваться с обратной полярностью в нагрузочную обмотку ω_н На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна нап­ряжения.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществля­ется в два такта работы схемы. Первый такт сопровождается уси­лением одной полуволны напряжения с участием первого транзис­тора, а второй такт—усилением другой полуволны с участием вто­рого транзистора.

Описанный процесс работы каскада поясняют графические пост­роения, приведенные на рис. 2.24 для одного из тактов усиления, например для транзистора Т₁.

Рис. 2.24. Графический расчет двух­тактного усилителя мощности

Линия нагрузки каскада по постоян­ному току (рис. 2.24), исходящая из точки с координатами (0; Е_к), про­водится почти параллельно оси токов, поскольку сопротивление в коллекторной цепи транзистора определяется малым активным со­противлением первичной обмотки трансформатора Тр₂. Поскольку в режиме покоя U_бэп = 0 и ток коллектора определяется обратным током коллекторного перехода I_к0, линия нагрузки каскада по пере­менному току пересекается с ли­нией нагрузки по постоянному току в точке с координатами (I_к0; U_кэ ≈ Е_к). Линия нагрузки каска­да по переменному току проводит­ся с учетом того, что R_н~ = n₂² R_нПеременным составляющим соот­ветствуют построения, приведенные на рис. 2.24.

При выборе типа транзистора по напряжению необходимо исхо­дить из того, что при формировании полуволны напряжения на одной половине обмотки ω₂ трансформатора Тр₂ на второй половине его обмотки трансформируется равное ему напряжение, которое, сум­мируясь с напряжением Е_к, определяет напряжение на закрытом транзисторе. Максимальное значение напряжения на транзисторе при этом может составлять 2Е_К. Исходя из этой величины и произ­водят выбор транзисторов по напряжению.

Режим класса В, характеризуемый протеканием через каждый из транзисторов только одной полуволны тока, отличается лучшим их использованием по току. Выбор транзисторов по току произво­дится по величине I_кm (рис. 2.24). В связи с этим при одном и том же типе транзисторов двухтактный каскад обеспечивает большую мощ­ность в нагрузке, чем однотактный.

Однако отсутствие в режиме класса В начального смещения при­водит к сильным нелинейным искажениям выходного сигнала. Основ­ная причина этого явления — нелинейность входной характеристики транзисторов на начальном участке (при малых токах базы).

Влияние нелинейного начального участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис. 2.25, где входные характеристики обоих транзисторов представлены на общем графике. Как видно из рис. 2.25, при синусоидальном входном напряжении u_вх форма токов i_б1 и i_б2получается искаженной. Вслед­ствие этого будет искажена и форма токов коллекторов i_к1, i_к2, а сле­довательно, выходное напряжение каскада. В режиме класса А ука­занная причина не проявляется благодаря наличию тока базы покоя и исключению из работы начального участка входной характеристики.

Для уменьшения искажений в цепи баз обоих транзисторов вво­дят дополнительные резисторы (например, R₂на рис. 2.23), приб­лижающие режим работы источника сигнала к режиму источника тока и ослабляющие тем самым влияние нелинейности входных ха­рактеристик транзисторов. Однако из-за падения напряжения на дополнительных резисторах от протекания токов i_б при этом умень­шаются коэффициенты усиления каскада.

Более целесообразным при необходимости получения особо точ­ного воспроизведения формы сигнала следует считать переход к режиму класса АВ, при котором с помощью резисторов R₁, R₂ (см. рис. 2.23) задается некоторое начальное напряжение смещения на базах транзисторов, соответствующее началу относительно линейного участка их вольтамперной характеристики-. Расположение входных характеристик обоих транзисторов с учетом напряжения смещения U_бппоказано на общем графике (рис. 2.26).

При наличии напряжения смещения U_бпи начальных токов обоих транзисторов I_бп,не равных нулю, входной сигнал воздействует на умень­шение базового тока одного транзистора и увеличение другого, в связи с чем результирующая входная характеристика каскада получается близкой к прямой линии, показанной на рис. 2.26 пунктиром.

.

Рис. 2.25. Влияние нелиней­ности входных характеристик транзисторов на искажение формы усиливаемого сигнала в режиме класса В

Рис. 2.26. Уменьшение влияния нелинейности входных характеристик транзисторов на искажение формы усиливаемого сигнала в режиме класса АВ....

Влияние нелинейности входных характеристик на режим уси­ления исключается. При синусоидальном входном напряжении ток базы транзисторов будет определяться полуволнами синусоиды.

Задание небольшого напряжения смещения обоих транзисторовU_бпи протекание вследствие этого через элементы каскада небольших постоянных сос­тавляющих тока I_бп и I_кп практически не сказываются на энерге­тических показателях схемы по сравнению с режимом работы в клас­се В. Поэтому для режима работы в классе АВ действительны все приведенные ранее соотношения.

Двухтактные каскады усиления мощности выполняют и по схе­мам, исключающим применение трансформаторов, что обусловливается требованием уменьшения массо-габаритных и стоимостных показателей усилителей, а также возможно­стью их микросхемного исполнения.

Задачу решают последовательным включением транзисторов в схему (рис. 2.27). При этом возможны два способа подключения на­грузки к выходу каскада и соответственно два способа осуществления питания схемы.

При первом способе (рис. 2.27, а) каскад питают от двух источ­ников Е_К1 и Е_к.₂, имеющих общую точку, а нагрузку подключают между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов и об­щей точкой источников питания. Транзисторы Т₁ и Т₂ каскада обыч­но работают в режиме класса АВ, который обеспечивается посред­ством резисторов R₁— R₄. Транзисторы управляются двумя про­тивофазными входными сигналами u_вх1 и u_вх2, которые создаются с помощью

Рис. 2.27. Схемы бестрансформаторных двухтактных усилите­лей мощности: с питанием от двух источников (а, в) и одно­го источника (б, г)

предвыходного фазоинверсного каскада. Так же как в трансформаторном каскаде, процесс усиления двухполярного сиг­нала происходит в два такта. В первом такте участвует тран­зистор Т₁, усиливающий отрицательную полуволну напряжения u_вх, при этом транзистор Т₂ заперт положительной полуволной нап­ряжения u_вх2. Во втором такте усиливается другая полуволна сиг­нала с участием транзистора Т₂ при закрытом транзисторе Т₁.

При втором способе (рис. 2.27, б) питание каскада осуществляют от общего источника, а нагрузку подключают через конденсатор Сдостаточно большой емкости. В отсутствие сигналов u_вх1 и u_вх2 кон­денсатор С заряжен до напряжения 0,5 Е_к. В такте работы транзистора Т₁ транзистор Т₂ закрыт и конденсатор выполняет функцию источника питания нагрузки. В такте работы транзистора Т₂ ток нагрузки протекает через источник питания Е_к. При этом ток i_к2, протекающий через конденсатор С, пополняет его энергией, компен­сируя тем самым отданную в нагрузку энергию в предыдущем такте.

В схемах рис. 2.27, в, г подключение нагрузки и питание каскадов выполнены по аналогии со схемами рис. 2.27, а, б. Отличие заключается в том, что в схемах рис. 2.27, в, г используются транзисторы типов р-п-р и п-р-п, благодаря чему здесь отпадает необходимость в двух противофазных входных сигналах. При положительной полу­волне сигнала в усилении участвует транзистор Т₁, а транзистор Т₂ закрыт. При отрицательной полуволне сигнала поведение транзисторов обратное.

Укажем общую особенность схем рис. 2.27 по сравнению со схе­мой, содержащей трансформатор в выходной цепи. В схеме рис. 2.23 мощность (U_кm I_кm)/2, отдаваемая в нагрузку, близка к величине U²_кm/((2n²₂ R_н). Иными словами, здесь путем варьирования коэффи­циента трансформации сравнительно просто решается задача полу­чения требуемой мощности в нагрузке при полном использовании транзисторов по току и напряжению в условиях заданных значений Р_ни R_н.

В схемах рис. 2.27, а—г это трудно выполнимо, поскольку мощ­ность в нагрузке определяется отношением U²_кm/((2 R_н). Единственной возможностью получения требуемой мощности при заданном значе­нии R_н при этом является воздействие на значение U_кmт. е. на ве­личину напряжения питания каскада. При малых R_н транзистор может оказаться недогруженным по напряжению, а при больших R_н — по току.

Следует также отметить особенность каскадов, выполненных по схемам рис. 2.27, а, б, в которых транзисторы Т₁, Т₂ имеют разные способы включения: транзистор Т₁ — по схеме ОЭ, а транзистор Т₂ — по схеме ОК. Так как при указанных схемах включения коэффици­енты усиления по напряжению различны, должны быть приняты меры по выравниванию коэффициентов усиления для обеих полуволн входного сигнала. Задачу решают обеспечением соответствующих коэффициентов усиления по двум входам предвыходного фазоин-версного каскада. В схемах рис. 2.27, в, г необходимость в этом отпадает, поскольку оба транзистора работают в одинаковом режиме — включены по схеме ОК.

Все схемы двухтактных выходных каскадов требуют применения одинаковых по параметрам транзисторов, в особенности имеющих равные коэффициенты передачи тока β.