14.3. Двухтактные усилители мощности класса b

Если двухтактные каскады в режиме A работают с малым значением нелинейных искажений и низким КПД, то в режиме B они позволяют обеспечивать хорошие энергетические показатели (высокий КПД), но и большие нелинейные искажения. В этом режиме ток покоя транзистора мал, что предполагает пониженный расход мощности источника питания. Угол отсечки  в таком режиме работы составляет /2. На рис. 14.9 приведено положение рабочей точки на проходной характеристики транзистора в режиме B.

Рис.14.9. Проходная характеристика с рабочей точкой активного элемента, работающего в каскаде класса B

Из рисунка видно, что коэффициент использования транзистора по току, в каждом из плеч больше единицы:

.

(14.17)

Повышенный КПД и пониженная относительная величина мощности потерь в транзисторах являются главным преимуществом при использовании режима B.

Однако коэффициент гармоник в каждом из плеч оказывается недопустимо большим и составляет более 43%. Поэтому, для уменьшения коэффициента гармоник транзисторы двухтактного усилителя мощности класса B работают строго поочередно: каждый пропускает полуволну тока только в свой период колебаний. Во вторую половину периода один из транзисторов заперт, и тока от источника питания фактически не потребляет. В этот полупериод работает второй транзистор.

14.4. Двухтактные каскады в режиме ab

Двухтактный каскад в режиме A дает очень малые нелинейные искажения, но имеет низкий КПД. Режим B обеспечивает высокий КПД, но вносит повышенные нелинейные искажения, обусловленные кривизной начального участка передаточной характеристики рис. 14.9. Вследствие этого совмещенная характеристика обоих транзисторов, представляющая зависимость их разностного тока, имеет подобие ступеньки вблизи перехода через нуль рис. 14.10. Поэтому такие искажения получили названия искажения «типа ступеньки».

Рис.14.10 Искажения типа ступеньки в усилителях мощности класса B

Для устранения такого типа искажения в усилителях используют режим AB, в котором подается большее смещение рабочей точки транзисторов: транзистор работает с углом отсечки . В этом случае ступеньки на характеристики рис. 14.10 не возникает. В режиме AB при малых токах работают оба плеча одновременно, подобно режиму A и нелинейности характеристик плеч взаимно компенсируются. Однако КПД усилителя в этом случае понижается по сравнению с режимом B. Общий КПД усилителя снижается, поскольку ток покоя оконечных транзисторов обычно бывает меньше общего тока питания предварительных каскадов.

Режим AB для двухтактных каскадов является самым распространенным, поскольку обеспечивает высокий КПД и небольшие нелинейные искажения. Наименьшие нелинейные искажения имеет двухтактный усилитель класса A.

В общем случае можно выделить две группы усилителей класса В:

• Усилители на транзисторах противоположного типа проводимостей (n-p-n и p-n-p);

• Усилители на транзисторах одного типа проводимостей.

Двухтактные усилители на транзисторах противоположного типа проводимостей

Такой вариант схемного решения обычно используется при малых требуемых мощностях выходного сигнала (10–15 Вт). Это объясняется тем, что чем больше мощность выходного сигнала, тем больше и рассеваемая транзисторами мощность, т.е. тем выше температура. Увеличение температуры приводит к ухудшению стабильности параметров активных элементов. Поскольку в таких схемах используются два активных элемента, то изменение их параметров может привести к рассогласованию двух каналов усилителя, т.е. к ухудшению параметров выходного сигнала (увеличению искажений). Таким образом, основным недостатком таких схем является необходимость подбора двух активных элементов по своим характеристикам.

На практике параметры серийно выпускаемых транзисторов имеют разброс параметров более 100%. Поэтому в двухтактных схемах усилителей мощности класса В с активными элементами разного типа проводимости рекомендуется использовать комплиментарные пары транзисторов: транзисторов с разным типом проводимостей, но с близкими характеристиками. Принципиальная схема усилителя мощности класса В на транзисторах с разным типом проводимости представлена на рис. 14.11.

Рис.14.11 Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности класса В на транзисторах разного типа проводимости

Элементы R0, R1, R2 – элементы задания рабочей точки транзисторов. Сопротивление R0 обеспечивает тепловую обратную связь, т.е. обеспечивает термостабилизацию рабочей точки. При конструктивной реализации сопротивление R0 размещают на одном радиаторе с транзисторами. В качестве термосопротивления часто используют диоды в прямом включении. Для обеспечения симметрии в схеме число диодов должно быть четным. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности класса В с диодной термокомпенсацией приведена на рис. 14.12.

Рис.14.12. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности с диодной термокомпенсацией

Расчет элементов делителя осуществляется по методике расчета каскадов предварительного усиления. Ток делителя выбирается из условия:

,

(14.18)

где . Выражение (14.18) можно переписать в виде:

(14.19)

Общим недостатком обоих представленных выше схем является необходимость использовать разделительный конденсатор большой емкости при малой величине сопротивления нагрузке. Большая емкость приводит к увеличению габариты схемы и невозможности ее реализации в интегральном исполнении.

Для защиты транзисторов от короткого замыкания на выходе необходимо предусмотреть средства защиты каскада от короткого замыкания по выходу.