Вопрос 33. Двухтактные выходные каскады. Двухтактный каскад
Он позволяет избавиться от недостатков, присущих однотактному каскаду. Такие каскады выполняют на транзисторах, включенных по схемам с общим эмиттером или общим коллектором.
Рис. 2.12. Двухтактный эмиттерный повторитель
Обычно в предварительных каскадах усилителей обеспечивается необходимое усиление входного сигнала по напряжению, а в выходном каскаде происходит усиление по току, мощности и обеспечивается низкое выходное сопротивление. В этом случае часто в качестве выходного каскада используют двухтактный эмиттерный повторитель (рис. 2.12). Входной сигнал проходит через разделительные конденсаторы и поступает на базы транзисторов VT1 и VT2. Эти транзисторы разных типов проводимости, т.е. VT1 – типа р-п-р, a VT2 – типа п-р-п. Транзистор VT1 управляется положительным напряжением, a VT2 – отрицательным. Положительный полупериод синусоиды входного сигнала усиливается транзистором VT1. В это время транзистор VT2 закрыт и ток в нагрузку течет по цепи "корпус –Rн – эмиттер VT1 – коллектор VT1--Ек". В отрицательный полупериод транзисторы меняются ролями и работает транзистор VT2, a VT1 закрыт. Ток в нагрузке течет по цепи "+ЕК – коллектор VT2 – эмиттер VT2 – RH – корпус".
Чтобы обеспечить положение рабочей точки транзисторов, необходимо установить в состоянии покоя напряжения смещения на базах транзисторов. Для этого используются цепочки "резистор RБ1 – диод VD1" для транзистора VT1 и "резистор Rm – диод VD2" для транзистора VT2. Протекающий в них ток обеспечивает необходимое напряжение смещения на база–эмиттерных переходах транзисторов.
Как видно, схему двухтактного эмиттерного повторителя можно разделить на две симметричные части – верхнюю и нижнюю, которые называются плечами каскада. Транзисторы в данном каскаде работают в режиме АВ. Хотя каждое плечо дает большое искажение синусоидального сигнала (только в одном полупериоде), вместе они формируют результирующий ток, имеющий синусоидальную форму. Режим АВ в двухтактном эмиттерном повторителе обеспечивает низкие нелинейные искажения и высокий КПД – около 70%. Недостатком двухтактных каскадов является то, что параметры мощных транзисторов, используемых в разных плечах, должны иметь близкие характеристики.
33. Двухтактные выходные каскады.
Двухтактными называют каскад, содержащие два усилительных элемента, работающие на общую нагрузку, выходные токи которых сдвинуты по фазе на 180о. Каждый УЭ с соответствующими цепями образует плечо двухтактного усилителя. Плечи двухтактного каскада работают в противофазе.
Двухтактные выходные каскады могут использоваться и в усилителях класса А, обеспечивая дополнительные, рассмотренные ниже преимущества.
В результате реверсивного подключения одной из обмоток трансформатора магнитные потоки, вызываемые анодными токами покоя, взаимно уравновешивают друг друга (при условии, естественно, что они равны). Из-за того, что сердечник трансформатора должен передавать магнитный поток, образованный только током сигнала, его размер может быть значительно уменьшен при заданном уровне мощности. Эта причина является основной для использования двухтактного выходного каскада в усилителях класса А, где токи покоя велики, ив однотактной схеме могут приводить к насыщению сердечника, если его размеры недостаточно велики.
Так как размеры сердечника уменьшаются, становится существенным, чтобы анодные токи покоя каждой лампы каскада были абсолютно идентичными, в противном случае подмагничивание сердечника постоянной составляющей будет вызывает искажения на нечетных гармониках. Задача решается введением подстройки баланса (равновесия) по постоянному току в цепи смещения (рис. 7.6), либо путем использования пары ламп с точно подобранными значениями анодных токов.
Рис. 7.6 Схема подстройки баланса по постоянному току
В схеме на рис. 7.6. переменный резистор R2 устанавливает общий анодный ток, тогда как переменный резистор R1 подстраивает баланс по постоянному току, задавая смещению одной из сеток более положительное, либо менее положительное значение по отношению к смещению на другой лампе.
Если же сердечник будет постоянно подмагничиваться (например, из-за неисправности одной из ламп), его необходимо будет размагнитить; в противном случае он будет источником дополнительных (и совсем ненужных) искажений, либо вообще выйдет из строя в следствие перегрева. Эта операция выполняется воздействием на сердечник сравнительно большого переменного магнитного поля, вплоть до достижения области насыщения как при положительном, так и отрицательном значениях, а затем после истечения времени выдержки 10 с постепенным снижением поля до нуля. На практике низкое значение остаточной магнитной индукции материалов, используемых в сердечниках обычных трансформаторах, делает необходимость проведения данной операции маловероятной.
Более полезным результатом уменьшения размеров трансформатора является улучшение ВЧ характеристик за счет снижения паразитной емкости.
При этом в трансформаторе отсутствует не только анодный ток покоя, но также пропадают фоновые шумы источника питания, так как они находятся в противофазе в каждой обмотке трансформатора. Улучшение характеристик по фоновому шуму источника питания позволяет использовать их менее дорогие модели.
Другой полезной особенностью двухтактных схем является то, что составляющие четных гармоник анодных токов ламп всегда протекают встречно друг другу, а потому компенсируются в первичной обмотке выходного трансформатора. При одинаковых токах ламп, на выходе двухтактного усилителя четные гармоники теоретически отсутствуют.
Однако, искажения, вызываемые нечетными гармониками будут суммироваться выходным трансформатором вместе с полезным сигналом. В случае триодов, которые создают преимущественно искажения на четных гармониках, ситуация с нелинейными искажениями получается приемлемой, но в усилителях на пентодах, которые генерируют преимущественно нечетные гармоники, потребуется введение сильной (более 20 дБ) отрицательной обратной связи для снижения уровня искажений до приемлемого значения. Значительное снижение уровня искажений четных гармоник может быть достигнуто только в том случае, если каждая из ламп обеспечивает абсолютно одинаковый по величине переменный анодный ток. В силу этого некоторые усилители имеют подстройку баланса по переменному току (рис. 7.7), тогда как в других используется пара электронных ламп, точно подобранных по коэффициентам усиления.
.юРис. 7.7 Схема подстройки баланса по переменному току