4. Выходные усилительные каскады

4.1. Основные понятия и определения

Выходные каскады, как правило, определяют энергетические, массо- габаритные и качественные показатели усилителя в целом. Поэтому отличительными особенностями выходных каскадов усилительных устройств являются:

• работа усилительных приборов в режимах, характеризующихся повышенным к.п.д. при заданной мощности, отдаваемой в нагрузку;

• максимальное использование усилительных приборов по мощности и, как правило, по току и напряжению;

• при максимальном использовании приборов по току и напряжению из-за нелинейности их выходных и входных характеристик неизбежны нелинейные искажения усиливаемых сигналов.

Повышение к.п.д. усилительного каскада достигается при работе усилительного прибора в сугубо нелинейном режиме, когда прибор часть периода усиливаемого сигнала находится в режиме отсечки (т.е. заперт), а другую часть периода работает в активной области своих характеристик. Такой режим работы усилительного прибора называют режимом ”B” (или режимом класса “В”), если длительности интервалов отсечки и активного режима составляют по половине периода, и режимом “AB” (или режимом класса “АВ”), если длительность активного этапа превышает половину периода. Для минимизации искажений усиливаемого сигнала при таком режиме работы усилительных приборов выходные каскады строят по двухтактным схемам, содержащим как минимум два усилительных прибора, каждый из которых усиливает свою часть периода усиливаемого сигнала.

4.2. Двухтактный выходной каскад

Принципиальная схема двухтактного выходного каскада класса “B”, реализованного на комплементарных (дополняющих) транзисторах, представлена на рис. 4.1.

Смещение на базах транзисторов выбирается таким, чтобы оба транзистора при отсутствии входного сигнала находились на грани отпирания (в данной схеме это обеспечивается за счет падения напряжения на отпертых диодах VD₁ и VD₂).

При подаче синусоидальных колебаний на вход каскада положительная полуволна сигнала открывает транзистор VT₂, закрывая одновременно VT₁, а при отрицательной полуволне колебаний отпирается транзистор VT₁ и запирается VT₂.

Рис. 4.1. Схема двухтактного выходного каскада

Таким образом, транзисторы в течение периода усиливаемых колебаний работают поочередно. Импульсы тока транзисторов, имеющие длительность, близкую к половине периода, протекают через нагрузку в противоположных направлениях, поэтому в ней восстанавливается исходная форма сигнала.

Поскольку транзисторы в схеме каскада на рис. 4.1 включены по схеме с общим коллектором, то коэффициент передачи каскада по напряжению не превышает единицы.

4.3. Основные показатели выходных каскадов

К основным показателям выходных каскадов (ВК) относятся коэффициенты усиления по напряжению K_U, току K_I и мощности К_M, входное сопротивление R_ВХ, к.п.д. и коэффициент нелинейных искажений К_НИ.

Важнейшим из коэффициентов усиления для ВК является К_М:

В каскаде по схеме с общим коллектором (см. рис. 4.1) при К_U 1 коэффициент усиления мощности приближенно равен

На рис. 4.2 представлено семейство выходных характеристик транзистора, на поле которого построена нагрузочная прямая – линия CВ. По ней перемещается рабочая точка при изменении мгновенных значений тока и напряжения транзистора. Уравнение нагрузочной прямой имеет вид

Рис. 4.2. Выходные характеристики транзистора

При запертом транзисторе, когда он находится в режиме отсечки, нагрузочная прямая совпадает с осью абсцисс – отрезок BD.

Протяженность нагрузочной прямой в активной области ВАХ увеличивается (а вместе с ней увеличиваются высота импульса тока транзистора и амплитуда напряжения на коллекторе) с ростом амплитуды входного сигнала, пока её верхняя точка (точка А на рис. 4.2) не коснется линии насыщения (линия ОN).

При условии, что длительность импульса тока в каждом плече двухтактной схемы равна половине периода усиливаемого колебания (работа схемы в режиме класса “В”), амплитуда его первой гармоники и его постоянная составляющая соответственно равны: I_М1=I_КМ  2, I₀=I_КМ  ; к.п.д. усилителя  равен отношению выходной мощности каскада к мощности, потребляемой им от источника питания:

В схеме рис. 4.1 предельное значение отношения

поэтому предельное значение к.п.д. в режиме класса “В” составляет

 =   4 = 0.785.

Нелинейные искажения (НИ) в двухтактных каскадах возникают из-за дефектов стыковки (сопряжения) в нагрузке полуволн усиливаемого каждым плечом схемы сигнала, из-за нелинейности ВАХ транзисторов в активной области, определяющей ограничения импульсов тока сверху при переходе транзисторов в режим насыщения и несимметричности плеч вследствие разброса параметров транзисторов.

Первая из указанных причин НИ в основном связана с наличием на входных ВАХ области неуправляемого малого тока при U_БЭ  0.7 В (для кремниевых транзисторов). Наличие такой области приводит к появлению характерной ступеньки на кривой выходного напряжения. Для уменьшения или устранения этого вида искажения сигнала применяют смещение транзисторов, например путем включения диодов, как показано на рис. 4.1, что фактически приводит к переводу режима работы каскада в класс “АВ”.

Искажения, связанные с другими причинами, уменьшают посредством симметрирования плеч в двухтактном каскаде (подбором пар транзисторов) и введением в схему каскада отрицательной обратной связи (ООС). При отсутствии в форме сигнала резких изломов с введением ООС уровень нелинейных искажений уменьшается примерно в глубину обратной связи раз. Количественно глубина ОС определяется как отношение коэффициента усиления усилителя при отсутствии ОС к коэффициенту усиления при введенной ОС:

 = К_бос  К_ос.

Уровень НИ оценивается коэффициентом нелинейных искажений (К_ни), определяющий относительный уровень содержания в выходном сигнале высших гармонических составляющих в соответствии с выражением:

Измерение К_ни осуществляют на практике с помощью специальных приборов, называемых измерителями нелинейных искажений (ИНИ).