1.8.4.1. Схемы безтрансформаторных выходных каскадов

Безтрансформаторные выходные каскады выполняются по различным схемам и отличаются видом проводимости транзисторов, способом их включения, режимом работы (классы АВ и В), а также видом связи с предыдущим каскадом и нагрузкой. Лучшие показатели качества имеют каскады, в которых используются, в которых используются транзисторы различного типа проводимости с достаточно близкими значениями параметров (комплементарные пары). Каскады, в которых используются транзисторы одного вида проводимости (квазикомплементарные пары), являются принципиально несимметричными, поскольку транзисторы должны быть включены по различным схемам (обычно с ОЭ и ОК). Чтобы уменьшить нелинейные искажения, приходится вводить глубокую ООС, что создаёт условия для появления динамических искажений. Поэтому квазикомплементарные пары транзисторов используются при отсутствии комплементарных в усилителях, к которым не предъявляются требования высокого качества воспроизведения сигналов, или в усилителях, в которых искажения уменьшаются специальными методами. Для получения малого выходного сопротивления усилителя транзисторы выходного каскада включают по схеме с ОК (рис.14). Режим транзисторов устанавливают, изменяя сопротивление между базами транзисторов. Для стабилизации режима способом термокомпенсации между базами включается элемент с отрицательным ТКС (термистор или полупроводниковый диод в прямом включении). При непосредственной связи с предыдущим каскадом (рис.14б) для стабилизации режима вводят глубокую ООС по постоянному току. В схеме, приведённой на рис. 14б, она подаётся через резистор R₅, который является одновременно элементом базового делителя напряжения. КонденсаторС₄не пропускает постоянный ток через нагрузку (громкоговоритель) и устраняет ООС по переменному току. [8]

Рис.14. Схемы двухтактных эмиттерных повторителей при разной связи с предыдущим каскадом:

а – ёмкостная; б – непосредственная.

При включении транзисторов выходного каскада по схеме с ОК коэффициент усиления напряжения всегда меньше единицы, поэтому амплитуда входного сигнала превышает амплитуду напряжения на нагрузке. Максимальная амплитуда напряжения на нагрузке должна быть близка к половине напряжения питания (для получения высокого КПД каскада). Этого нельзя достичь в каскаде, схема которого приведена на рис.14а, если предыдущий каскад питать от общего источника. Выход из положения даёт применение ПОС по питанию (рис.15), при которой напряжение питания предыдущего каскада увеличивается на величину амплитуды выходного сигнала. Действительно, при положительной полуволне входного сигнала транзисторы VT1иVT3запираются, а транзисторVT2отпирается. Напряжение на нагрузкеR_Н, обусловленное током разряда конденсатораС₂, достигает максимального отрицательного (по отношению к отрицательному полюсу источника питания) значения. При этом напряжение питания предвыходного каскада становится равнымE+U_Н. Когда заперт транзисторVT1, ток базы транзистораVT2будет определяться не одним напряжением источника питания, а суммой напряженийE и U_Н. В результате транзисторVT2будет полностью открыт. При отрицательной полуволне входного сигнала транзисторыVT1иVT3отпираются, а транзисторVT2запирается. Напряжение на нагрузке, обусловленное подзарядом конденсатораС₂, меняет свой знак, и напряжение питания транзистораVT1будет равно разностиE–U_Н. Уменьшение напряжения питания транзистораVT1способствует более полному отпиранию транзистораVT3. В схеме, приведённой на рис.14, вместо нагрузки включён резисторR₅. [8]

Рис.15. Схема выходного каскада с ПОС по питанию.

При питании усилителя от однополярного источника нагрузку (громкоговоритель) приходится включать через разделительный конденсатор (рис.14). В этом случае полезная мощность в нагрузке и КПД каскада на низших частотах уменьшаются вследствие падения напряжения на конденсаторе. Кроме того, увеличивается выходное сопротивление каскада на низших частотах и, следовательно, ухудшается демпфирование громкоговорителя, увеличивается длительность нестационарных процессов в его подвижной системе, что проявляется в виде неприятного «бубнения» на низших звуковых частотах. Чтобы устранить эти нежелательные явления, необходимо выбрать ёмкость разделительного конденсатора из условия С1,5/(F_НR_Н), гдеF_Н– низшая воспроизводимая частота сигнала;R_Н– сопротивление громкоговорителя. При этом могут потребоваться конденсаторы с ёмкостью в тысячи микрофарад и номинальным напряжением, равным напряжению источника питания, которое в усилителях большой мощности может быть значительным. Громкоговоритель можно включать между выходом усилителя и искусственной средней точкой, образованной при помощи двух конденсаторов с равными номинальными ёмкостями (рис.16а). В этом случае номинальное напряжение конденсаторов может быть в два раза меньше, чем в схеме, данной на рис.15, а номинальная ёмкость каждого должна быть в два раза больше. В усилителе с питанием от сети переменного тока при включении нагрузки по схеме, приведённой на рис.16а, к источнику питания должны предъявляться требования в отношении уровня пульсаций напряжения. В усилителе с питанием от двух источников с разной полярностью громкоговоритель можно включать непосредственно на выход усилителя (без конденсаторов), как показано на рис.16б. В такой схеме снижаются требования к идентичности транзисторов, а при питании от сети переменного тока – и требования в отношении уровня пульсаций напряжения. [8]

Рис.16. Схема бестрансформаторного выходного каскада на составных БТ, работающих в режиме класса В (а), и вариант включения источников питания (б).

В усилителях с непосредственным включением нагрузки возможно повреждение головок громкоговорителей при проявлении на выходе постоянного напряжения (например, при пробое одного из транзисторов выходного каскада). Этот недостаток устраняется с помощью защитного устройства, отключающего громкоговоритель при появлении на выходе постоянного напряжения. [8]

Для повышения усиления мощности в выходных каскадах используют включение транзисторов по схеме с ОЭ (см. рис.16 и 17), а также составные транзисторы (рис.16). Для повышения экономичности усилителя и уменьшения рабочей температуры транзисторов выходного каскада необходимо повышать КПД этого каскада, который тем больше, чем больше отношение амплитуды сигнала на выходе к половине напряжения питания и чем меньше ток покоя транзисторов выходного каскада. Чтобы повысить амплитуду напряжения сигнала на выходе, следует применять транзисторы с как можно меньшим сопротивлением насыщения. Ток покоя транзисторов можно резко снизить, выбрав режим класса В (нулевое смещение база – эмиттер) (см. рис.16). Однако такой режим работы характеризуется большими нелинейными искажениями (типа «ступенька») и приемлем лишь в усилителях низкого качества. Для высококачественных усилителей применяют режим класса АВ, при котором ток покоя уменьшают до определённого предела, выбирая соответствующее напряжение смещения. Для повышения КПД выходного каскада необходимо, чтобы ток покоя как можно меньше изменялся при изменении напряжения питания и температуры окружающей среды, а также при нагреве транзисторов. На рис.17 приведена схема усилителя мощности, для которого использованы приведённые выше рекомендации по повышению КПД. Выходной каскад выполнен на комплементарной паре транзисторов, включённых с ОЭ. Ток покоя транзисторов выходного каскада стабилизирован при помощи источника тока на транзисторе VT4и диодаVD2. Подбирая сопротивление резистораR₁₀, устанавливают ток покоя в пределах 2,53 мА. Для жёсткой стабилизации постоянной составляющей выходного напряжения (в точке соединения коллекторов транзисторовVT7иVT8) введена глубокая ООС по постоянному току. Чтобы достичь минимальных искажений сигнала, необходимо подбирать транзисторыVT7иVT8с близкими характеристиками. Для повышения температурной стабильности тока покоя транзисторов выходного каскада следует установить диодVT2на теплоотводе одного из них. Параметры усилителя: диапазон рабочих частот 6020000 Гц, чувствительность 7 мВ, номинальная выходная мощность при нагрузке 8 Ом и коэффициенте гармоник до 1 % 0,8 Вт при напряжении питания 9 В и 1,8 Вт при напряжении питания 12 В, входное сопротивление 15 кОм. Усилитель сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 3 В. [8]

Рис.17. Схема усилителя мощности с симметричным выходным каскадом на транзисторах с ОЭ.