Выходные каскады

Рассмотренные ранее транзисторные каскады потребляют незначительную мощность и практически совсем не приспособлены для передачи в нагрузку сколько-нибудь существенного тока (мощности). В аналоговой схемотехнике выделяют отдельный класс усилителей, специально предназначенных для передачи в нагрузку мощных сигналов. Такие усилители называют усилителями мощности. Схемотехническое построение усилителей мощности имеет свои особенности, определяемое требованиями, предъявляемыми к этим усилителям:

· большой выходной ток;

· большое выходное знакопеременное напряжение;

· низкий коэффициент нелинейных искажений;

· малая рассеиваемая мощность в режиме покоя;

· наличие средств защиты от короткого замыкания по выходу.

Рассмотренные ранее каскады не в полной мере удовлетворяют перечисленным требованиям. Например, в каскаде с ОЭ ток, протекающий через нагрузку, ограничивается резистором в цепи коллектора. Попытка увеличения выходного тока приведет к возрастанию мощности, потребляемой каскадом в режиме покоя, что снизит КПД каскада в целом. Однако в ряде случаев с этими недостатками мирятся.

В настоящее время наибольшее распространение получили двухтактные бестрансформаторные каскады, выполненные на биполярных или полевых транзисторах.

Рассмотрим работу бестрансформаторного двухтактного выходного каскада, собранного на транзисторах различной проводимости (рис. 74).

Рис. 74	л191р1

Данный каскад называют также комплементарным, т. к. в нем используются комплементарные транзисторы, т. е. транзисторы с идентичными параметрами, но различающиеся типом проводимости. К входу каскада подводится однофазное входное напряжение . Транзисторы задействованы по схеме эмиттерного повторителя (иногда каскад называют комплементарным эмиттерным повторителем) и обычно питаются от двух источников одинакового напряжения и . Нагрузка подключается к общей точке соединения эмиттеров транзисторов. С помощью временных диаграмм токов и напряжений (рис. 75) поясним принцип работы данного каскада для случая гармонического входного сигнала.

На угловом интервале 0...p при положительной полуволне входного напряжения открывается транзистор n-p-n типа, пропуская в нагрузку импульс коллекторного тока . Транзистор находится в режиме отсечки. При этом на нагрузке выделяется положительная полуволна выходного напряжения .

Рис. 75

л191р2

На интервале p...2p, когда на вход каскада поступает отрицательная полуволна входного напряжения, транзисторы меняются ролями — транзистор переходит в режим отсечки, а транзистор открывается. В результате на нагрузке выделяется отрицательная полуволна выходного напряжения. Следовательно, через каждый транзистор протекает только одна полуволна тока, создающего напряжение на нагрузке.

Среднее значение тока, потребляемого транзисторами от источника питания равно: , где — максимальный ток коллектора. Мощность, потребляемая от источника питания, равна , мощность, отдаваемая транзисторами в нагрузку — , где — максимальное напряжение на транзисторе. Определим КПД каскада: — КПД возрастает с увеличением амплитуды выходного напряжения и достигает максимального значения в 78% при .

Очевидно, что транзисторы в схеме, представленной на рис. 74, работают в режиме B (сравните диаграммы на рис. 75 и рис. 56). Основной недостаток усилителей, в которых реализован данный режим — нелинейные искажения выходного сигнала из-за нелинейности начальных участков входных характеристик транзисторов. Объединенная входная характеристика двух транзисторов имеет излом вблизи нуля (рис. 76,а).

а)	б)
Рис. 76	л191р3

Эта нелинейность искажает базовые токи транзисторов, вследствие чего искажаются коллекторные токи транзисторов и напряжение на нагрузке. Выходное напряжение будет иметь в этом случае характерное искажение вблизи нуля, называемое «ступенька» (рис. 76,б).

Рис. 77	л191р8

Отмеченный недостаток устраняют введением транзисторов в режим АВ. Перевод в режим АВ достигается подачей на базы транзисторов небольших напряжений, смещающих эмиттерные переходы в прямом направлении (рис.77). В этом случае объединенная входная характеристика приобретает вид прямой линии, проходящей через начало координат (рис. 78,а), и нелинейные искажения «ступенька» устраняются (рис. 78,б).

а)	б)
Рис. 78	л191р5

Обычно источниками напряжений смещения служат диоды, стабилитроны, транзисторы в диодном включении или резисторы. Использование полупроводниковых приборов более целесообразно, т. к. в каскад вносится дополнительная стабилизация параметров — температурные изменения напряжений на этих приборах компенсируют температурные изменения напряжений база-эмиттер транзисторов и .

Рассмотрим вариант использования в качестве источников смещающего напряжения диодов (рис. 79). Диоды должны выбираться таким образом, чтобы падение напряжения на них соответствовало падению напряжения на эмиттерных

Рис. 79	л191р4

переходах транзисторов. В большинстве случаев достаточно использовать транзисторы и диоды, изготовленные из одинакового полупроводника — кремниевые диоды для кремниевых транзисторов, германиевые диоды для германиевых транзисторов.

Для гарантированного устранения искажения «ступенька» часто используют несколько последовательно включенных диода (обычно два) в базовой цепи каждого транзистора. Несколько диодов требуется также при использовании в выходном каскаде составных транзисторов.

Резисторы и выбираются из условия обеспечения требуемого тока базы. Ток, текущий через эти резисторы, должен быть больше максимального тока базы (тока базы в момент максимальной амплитуды сигнала на выходе) на величину, обеспечивающую смещение диодов в прямом направлении. В этом случае диоды не будут запираться (смещаться в обратную сторону) даже при максимальной амплитуде сигнала. В противном случае возможно появление нелинейных искажений другого типа — так называемого ограничения выходного сигнала, когда одна или обе полуволны выходного сигнала будут иметь плоские участки вместо вершин (рис.80).

Рис. 80	л191р9

Практический расчет величин сопротивлений производится исходя из известных коэффициентов транзисторов и прямого тока, текущего через диоды. Пусть, например, требуется получить размах выходного сигнала на нагрузке при . Ток, текущий через транзистор в этом случае (ток коллектора для пика сигнала), будет равен . Если коэффициент , то базовый ток будет равен .

Используем в схеме диоды КД521А (по одному для каждого транзистора), максимальный прямой ток которых равен , а нормируемое падение напряжения равно . Примем, что прямой ток, текущий через диод, должен быть равен половине максимально допустимого, т. е. . В этом случае сопротивление резистора будет равно . Аналогично рассчитывается сопротивление резистора . Вместо резисторов и в схеме могут использоваться источники тока.

С целью ограничения максимального тока, протекающего через транзисторы выходного каскада, в их эмиттерные цепи включают ограничивающие резисторы. Сопротивления этих резисторов редко превышают единицы Ом; в этом качестве используют мощные проволочные резисторы. Кроме того, данные резисторы образуют цепи ООС, стабилизирующие работу транзисторов выходного каскада.

На рис. 81 показана одна из возможных схем подачи входного напряжения на рассматриваемый выходной каскад. В качестве источника сигнала выступает усилительный каскад на транзисторе , включенном в схеме с ОЭ. При отсутствии входного сигнала ток коллектора этого транзистора должен совпадать с током, текущим через резистор . Отношение сопротивлений к определяет коэффициент усиления каскада по напряжению. Как отмечалось выше, для каскада с ОЭ значение этого коэффициента не должно превышать 4…5.

Рис. 81

Может потребоваться подключить рассмотренный выходной каскад к одному источнику напряжения . Входной сигнал в этом случае должен иметь смещение относительно общего провода на величину , а нагрузка подключается к выходу каскада через разделительный конденсатор (рис. 82). Емкость этого конденсатора выбирается из условий:

,

где , — емкость и сопротивление нагрузки; — минимальная частота входного сигнала. При таком включении постоянное напряжение на нагрузке будет отсутствовать и конденсатор не будет влиять на полезный сигнал.

Рис. 82

л191р7

Для каскада с однополярным питанием справедливы рассмотренные выше способы уменьшения нелинейных искажений.

Дата добавления: 2015-07-14