3.4.9 Двухтактные выходные каскады

В связи с тем, что КПД однотактных каскадов низкий (меньше 0.5), в мощных выходных каскадах используют двухтактные схемы, работающие в режиме В или АВ. Двухтактные выходные каскады можно подразделить на каскады с согласующими трансформаторами (трансформаторные) и бестрансформаторные. В трансформаторных усилителях удается получить хорошее согласование с нагрузкой: повышенную температурную стабильность и большую мощность в нагрузке. Недостатками являются: наличие громоздких трансформаторов и значительные нелинейные и частотные искажения. Схема двухтактного усилителя с трансформаторным входом и выходом приведена на рисунке 3.26а.

а б

а – схема усилителя; б – диаграммы работы.

Рисунок 3.26 – Двухтактный трансформаторный усилитель

При отсутствии U_вх транзисторы VT1 и VT2 закрыты и в коллекторных цепях протекают обратные токи переходов. При подаче на вход синусоидального сигнала транзисторы открываются поочередно. Каждый транзистор работает в течение одного полупериода, т. е. транзисторы работают в режиме В. Трансформатор TV1, кроме согласования источника сигнала и входных цепей транзисторов, позволяет получить два противофазных напряжения, т.е. выполняет функции фазоинвертора.

Трансформатор TV2, кроме согласования нагрузки с выходом транзисторов, обеспечивает суммирование двух сигналов, что позволяет на выходе восстановить форму входного сигнала (3.26б).

Максимальный КПД (теоретический) такого усилителя равен 0.78. Нелинейные искажения возникают как во входной цепи из-за нелинейности входной характеристики при малых входных напряжениях (особенно у кремниевых транзисторов), так и в выходной цепи из-за неравенства токов коллекторов (ассиметрия каскада) вследствие отличия параметров транзисторов VT1 и VT2 и появления тока подмагничивания в выходном трансформаторе. Для уменьшения искажений часто используют режим АВ, подавая на базы транзисторов небольшое смещение.

Бестрансформаторные выходные каскады

Бестрансформаторные выходные каскады в последнее время получили большее распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без выходного трансформатора и громоздких разделительных конденсаторов. Такие усилители имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики и могут быть выполнены по интегральной технологии. Различные варианты схем бестрансформаторных усилителей приведены на рисунке 3.27.

а б

в г

а – схема с ОЭ и двумя источниками питания; б – схема с ОК и двумя источниками питания; в – фазоинвертор; г – схема на транзисторах одного типа проводимости и одним источником питания.

Рисунок 3.27 – Двухтактные бестрансформаторные усилители

Транзисторы в этих схемах обычно работают в режиме АВ. В схеме (рисунок 3.27а) при U_вх = 0 протекают небольшие токи VT1 и VT2. Рабочие точки заданы фиксированным током (R₁, R₂). В нагрузке токи направлены противоположно и компенсируют друг друга. Для работы усилителя необходимы два источника питания и транзисторы противоположной проводимости. Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером.

В схеме (рисунок 3.27б) используется также два источника питания, транзисторы включены по схеме с общим коллектором, что упрощает процесс согласования выхода усилителя с низкоомной нагрузкой. Если транзисторы VT1 и VT2 идентичны, то потенциалы точек А и Б относительно эмиттеров (точка В) равны –U_R2/2 и +U_R2/2. В этом случае через транзисторы протекает одинаковый ток, а в сопротивлении нагрузки результирующий ток равен нулю. Для определения напряжения смещения необходимо знать характеристики транзисторов и предварительно задаться током коллектора в режиме покоя. Затем определяется базовый ток (I_бо) и напряжение (U_бэо). Ток делителя во входной цепи определяется из условия:

I_д = (5  10)I_бо .

Это обеспечивает малое изменение потенциалов баз при изменении температуры. По выбранному I_д определяют значение R₁, R₂, R₃ из выражений:

R₁  (U_n – U_бэо1)/I_д;

R₂  (U_бэо1 + U_бэо2)/I_д; (3.90)

R₃  (U_n - U_бэо2)/I_д.

Так как R2 мало (несколько сотен Ом), то можно считать, что базы транзисторов по переменному току соединены непосредственно между собой. Для уменьшения сопротивления по переменному току R₂ может быть зашунтировано емкостью. Однако чаще всего вместо R₂ включают несколько соединенных последовательно диодов. Количество диодов определяется необходимым напряжением смещения и величиной падения напряжения на диоде при заданном токе делителя. Например, при U_бэо1 + U_бэо2 = 0,8 В и падении напряжения на одном диоде 0,26 В необходимо три последовательно соединенных диода. Использование диодов повышает температурную стабильность усилительного каскада. При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрыт, а открытый работает как обычный эмиттерный повторитель. Во второй полупериод режимы работы транзисторов меняются на противоположный.

В схеме (рисунок 3.27г) используют транзисторы одного типа проводимости, один источник питания, однако необходим разделительный конденсатор довольно большой величины, кроме того, для работы схемы нужны два противофазных входных сигнала. При отсутствии U_вх1 и U_вх2 конденсатор С₃ заряжен до напряжения U_п/2. В такте работы когда VT2 закрыт, VT1 открыт, происходит подзаряд емкости и ток проходит через нагрузку (в направлении снизу вверх (рисунок 3.27г)). В такте работы когда VT1 закрыт, VT2 открыт, заряженная емкость играет роль источника питания для VT2 и ток протекает через нагрузку в противоположном направлении (рисунок 3.27г).

Для получения входных противофазных напряжений, необходимых для работы этого усилителя, используется фазоинвертор. Фазоинвертор (рисунок 3.27в) представляет собой усилительный каскад, у которого выходные сигналы снимаются с коллекторной (R₃)(противофазный) и эмиттерной (R₄) (синфазный) нагрузок.