8.8.4. Двухтактные выходные каскады в режиме класса в и ab

Принципиальные схемы двухтактных каскадов в классе В и AB имеют следующий вид: рис. 8.34.

Рис. 8.34

В классе В транзисторы двухтактной схемы работают поочередно. В течение одного полупериода транзистор открыт, в течение другого закрыт. Между базой и эмиттером подается небольшое смещение. Схема может работать и без смещения, при этом выходная мощность максимальна, однако велики нелинейные искажения. Величина тока I_{К МИН} задается такой, чтобы характеристики обоих плеч как бы дополняли друг друга. Ток IК.МИН выбирается равным (0,05…0,15)I_КМ, а напряжение смещения 0,1…0,3 В. Ток в нагрузке складывается из токов обоих транзисторов. В выходном каскаде класса В можно рассчитывать только одно плечо схемы, включающее половину первичной обмотки выходного трансформатора и всю вторичную обмотку (второе плечо во время работы первого можно считать отключенным). Расчеты проводятся графоаналитическим методом:

Мощность, отдаваемая одним плечом:

Р₁ = Р_н / 2η_тр. (8.114)

Мощность, отдаваемая всем каскадом:

Р = Р_н / η_тр, Р = (1 / 2 U_кm) I_кm, (8.115)

где I_кm =I_км − I_{к мин},

U_кm = E_к − U_к._мин − ΔЕ_к. (8.116)

Мощность, потребляемая от источника питания обоими транзисторами, определяется соотношением:

P₀ = 2E_К (I_к.ср+ I_к._мин), (8.117)

где I_к.ср = I_кm /π – постоянная составляющая.

Электрический к.п.д. без учета потерь в трансформаторе:

; (8.118)

ξ = U_Кm / E_к – коэффициент использования коллекторного напряжения.

При полном использовании коллекторного питания ε = 1:

, т.е. 78,6 %; (8.119)

Рассеиваемая на обоих коллекторах мощность равна:

или (8.120)

.

При ξ =1 и η_макс. максимально отдаваемая в первичную обмотку мощность в 7,34 раза выше рассеиваемой. Рассеиваемая на коллекторах мощность достигает максимума при некоторой промежуточной амплитуде сигнала:

и , тогда рассеиваемая мощность: . (8.121)

Величина ξ*, при которой мощность рассеяния на коллекторе достигает максимума:

.

При этом: .

Тогда: . (8.122)

Таким образом, максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку, не может превышать величины:

; (8.123)

Чтобы избежать перегрева транзисторов необходимо пользоваться неравенством:

. (8.124)

При слишком больших сигналах, когда форма сигнала почти прямоугольная, КПД может достигать 90…95 %, а мощность в нагрузке в 10…20 раз превышает рассеиваемую.

Максимальное (пиковое) значение тока I_кm :

; (8.125)

Остальные параметры рассчитываются также, как и в режиме класса А.

При расчете коэффициента гармоник по передаточной характеристике определяются все токи с учетом коэффициента асимметрии плеч: I_КМ, I_К, I_{К МИН}:

; (8.126)

; (8.127)

; (8.128)

; (8.129) . (8.130)

Амплитуды гармоник тока коллектора определяются формулами:

; (8.131)

; (8.132)

; (8.133)

. (8.134)

Затем по известной формуле определяется коэффициент гармоник двухтактного усилительного каскада класса B.

8.8.5. Бестрансформаторные выходные каскады усилителей

Выходные бестрансформаторные каскады применяются обычно при работе их на низкоомную нагрузку и являются двухтактными. Рабочая точка для уменьшения нелинейных искажений типа «ступеньки» выбирается не в режиме отсечки (класс В), а в режиме класса АВ, поскольку при этом обеспечивается и достаточно высокий К. П. Д. (60…70 %). Если выходной каскад строится на квазикомплементарной паре (т. е. одного типа структуры) транзисторов, то для его работы требуется фазоинверсный каскад. На рис. 8.35 приведена принципиальная электрическая схема на однотипных транзисторах с фазоинверсным трансформатором на входе.

Рис. 8.35

Нагрузка подключается через разделительный конденсатор С_р большой емкости.

Во вторичных обмотках трансформатора действуют сигналы, одинаковые по амплитуде и противоположные по фазе. При наличии на базе VТ1 сигнала положительной полярности данный транзистор открывается, и ток заряда конденсатора протекает через резистор R_Н , в это время нижний транзистор VТ2 закрыт. В следующий полупериод фаза входного сигнала меняется на противоположную, поэтому верхний транзистор закрывается, и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки и открытый транзистор VТ2. Таким образом, в течение одного периода через нагрузку протекают две полуволны тока усиливаемого сигнала в противоположных направлениях.

Резисторы R_б1 … R_б2 служат для задания режима по постоянному току, R_э1 и R_э2 – для уменьшения асимметрии схемы вследствие разброса параметров транзисторов выходного каскада.

Наличие фазоинверсного входного трансформатора не всегда является приемлемым вариантом. Тогда вместо него используется пара транзисторов р-n-р и n-р-n- структуры рис. 8.36. На транзисторе VТ1 выполнен предварительный каскад усиления по схеме с общим эмиттером.

Рис. 8.36

Фазоинверсный каскад собран на транзисторах VТ2 и VТЗ, режим по постоянному току задается с помощью диодов VD1… VD2, которые также обеспечивают и температурную компенсацию рабочей точки. Вследствие того, что транзисторы VТ2 и VТЗ – имеют разную структуру, они открываются и закрываются поочередно и фазы сигналов на их выходах противоположны. Причем транзистор VТ2 включен как эмиттерный повторитель и не изменяет фазу передаваемого сигнала, – транзистор VТЗ – это каскад с общим эмиттером, и фазы сигналов на его входе и выходе противоположны. В остальном робота выходного каскада происходит описанным выше образом.

Схему выходного каскада можно упростить если использовать на выходе комплементарную пару транзисторов с одинаковыми параметрами. Для улучшения эксплуатационных характеристик чаще всего используют составные пары выходных транзисторов структуры р-n-р и n-р-n, так как это позволяет увеличить входное и уменьшить выходное сопротивление. Транзисторы при этом включаются по схеме с общим коллектором. Схема составного транзистора показана на рис. 8.37.

Рис. 8.37

Общий ток коллектора такого включения:

I_КS = I_К1 + I_К2 = b₁×I_б1 + b₂×I_б2 = b₁×I_б1 + b₂×Iэ₁ = b₁×I_б1 + b₂×I_б1(b₁+ 1). (8.135)

Суммарный коэффициент передачи по току:

b_S = I_кS / I_б1 = b₁ + b₁×b₂ + b₂. (8.136)

В связи с тем, что b₁×b₂ >> (b₁+b₂), выражение (8.136) можно упростить:

b_S » b₁×b₂, (8.137)

т. е. суммарный коэффициент передачи по току равен произведению коэффициентов передачи по току отдельных транзисторов. Возможная схема построения выходного каскада на комплементарной паре составных транзисторов показана на рис. 8.38.

Рис. 8.38

Выходное сопротивление можно приближенно рассчитать по формуле:

, (8.138)

где R_Г – сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление:

, (8.139)

где и – коэффициенты передачи по переменному току первого и второго транзистора соответственно.

Для увеличения выходной мощности двухтактного каскада используют биполярный источник питания, при этом можно исключить из схемы разделительный конденсатор на выходе (рис. 8.39).

Рис. 8.39

В этой схеме максимальная амплитуда сигнала на нагрузке примерно в два раза выше, чем в схемах с одним источником питания. В этой схеме можно использовать и составные транзисторы. Постоянная составляющая тока в нагрузке вычитается и при идеальности плеч равна нулю. При подаче переменного сигнала на вход плечи выходного каскада работают поочередно.

Рассмотренные принципы построения выходных каскадов усилителей мощности положены в основу разработок интегральных схем, таких как К174УН7, К174УН14, К174УН19 и ряд других.