Двухтактные усилители мощности
Двухтактные усилители мощности позволяют получить более высокий кпд, чем однотактный усилитель мощности. Для этого используется режим В или АВ. В двухтактных схемах усилителей мощности использование режима А обычно не оправдывается из-за сравнительно невысокого КПД всей схемы.
Двухтактные выходные каскады можно подразделить на каскады с согласующими выходными трансформаторами и бестрансформаторные.
На рис. 2.3 приведена схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности. Такой усилитель обладает рядом достоинств по сравнению с однотактными схемами. Например, как в отсутствие входного сигнала, так и во время работы постоянные составляющие коллекторных токов создают в сердечнике трансформатора магнитные потоки противоположных направлений. Следовательно, в сердечнике трансформатора отсутствует (или значительно подавлена при неполной симметрии) постоянная составляющая магнитного потока. Это значительно упрощает конструкцию трансформатора и позволяет уменьшить его размеры.
Существенным достоинством двухтактных каскадов является уменьшение нелинейных искажений. Действительно, при симметрии плеч кривая суммарного магнитного потока будет симметрична относительно оси времени, а, следовательно, она не будет содержать четных гармоник. В свою очередь, это дает возможность, помимо класса А, применять более экономичные режимы АВ и В, при которых как раз характерно появление нелинейных искажений за счет образования четных гармонических составляющих.
Рис. 2.3. Схема трансформаторного двухтактного усилителя мощности
Достоинством трансформаторного двухтактного каскада является также значительное подавление на выходе схемы пульсаций напряжения источников питания, кратных частоте питающей сети, а также различных синфазных сигналов. По этой причине иногда двухтактная схема применяется во входных и предварительных усилителях с низким уровнем входного сигнала.
К недостаткам, свойственным двухтактным схемам, относится требование довольно строгой симметрии схемы и идентичности транзисторов и обмоток трансформатора, а также необходимость получения на входе парафазного сигнала. Обычно для этой цели применяют либо трансформаторы, как показано на рис. 2.3, либо специальные фазоинверсные предоконечные усилители.
Несмотря на отмеченные выше преимущества двухтактных трансформаторных усилителей мощности, следует отметить, что применяемый в них трансформатор не технологичный элемент; он имеет большие массу и габариты, что не позволяет выполнять трансформаторные усилители в виде интегральных микросхем. Кроме того, трансформатор является источником значительных частотных искажений в области как низких, так и высоких частот, больших наводок, снижает КПД усилителя мощности. Большие фазовые сдвиги, вносимые трансформатором между входным сигналом и выходным, не дают возможности охватить усилитель глубокой отрицательной обратной связью и тем самым повысить качество усилителя.
Несмотря на это, в настоящее время отдельные фирмы выпускают высококлассные ламповые усилители звуковой частоты с применением специальных разделительных и выходных трансформаторов. Применение специальных материалов и конструкции трансформаторов позволило расширить их частотный диапазон от десяти Гц до 50 кГц.
Отмеченных выше недостатков лишен бестрансформаторный усилитель мощности. Появление мощных транзисторов с низкоомным выходным сопротивлением обусловило широкое применение бестрансформаторных усилителей мощности и при больших уровнях выходной мощности.
Достоинством бестрансформаторного усилителя мощности является: малые масса и габариты, малые частотные искажения, больший кпд, возможность интегрального исполнения. При массовом производстве переход к бестрансформаторным усилителям мощности дает существенную экономию меди и трансформаторной стали, уменьшает общую трудоемкость изготовления аппаратуры.
На рис. 2.4, а - г приведены возможные схемы оконечных каскадов бестрансформаторных усилителей мощности. Как видно из приведенного рисунка, они могут быть реализованы либо на транзисторах различного типа проводимости (комплементарные транзисторы), либо на транзисторах одного типа проводимости. Питание таких усилителей мощности может производиться от двух источников с заземленной средней точкой, либо от однополярного источника. В последнем случае нагрузка обычно подключается к выходному каскаду через разделительный конденсатор.
Нагрузка в этих усилителях может либо подключаться через разделительный конденсатор к общей шине, либо к средней точке двух источников питания. Необходимый режим работы каждого транзистора обеспечивается напряжением, действующим на его базе:
где Ебэ1 , Ебэ2 — постоянные напряжения, действующие на базах соответствующих транзисторов. На рис. 2.4 показаны также управляющие сигналы с учетом фаз, которые обеспечивают нормальную работу выходных каскадов. Управление комплементарных транзисторов осуществляется синфазными сигналами, а транзисторов одного типа электропроводности – противофазными. Получение противофазных сигналов требует применения специальных транзисторных фазоинверсных усилителей, что в некоторой степени усложняет схему усилителя мощности. Управление комплементарными транзисторами существенно упрощается – входной сигнал обычно подается их объединенные входы.
Рис. 2.4. Возможные схемы оконечных каскадов бестрансформаторных усилителей мощности: а, б — на транзисторах различного типа проводимости; в, г — на транзисторах одного типа проводимости