Выходные каскады усилителя шунтирование. Пути улучшения звучания усилителей низкой частоты

В главе 3 были рассмотрены принципы построения схем усилителей мощности, работающих в режимах А, В или АВ. Показано, что наиболее благоприятным режимом для выходных каскадов усиления мощности является режим класса АВ. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности на однотипных биполярных транзисторах, работающего в режиме класса АВ, приведена на рис. 4.26. Небольшое смещение напряжения , подается на базы транзисторов с помощью резисторов .

Вместо резистора можно использовать прямосмещенный диод, создающий на базе транзистора напряжение смещения Для обеспечения режима класса АВ.

Диод осуществляет также термокомпенсацию рабочей точки покоя, так как при изменении температуры напряжение на эмиттерном переходе транзисторов и падение напряжения на открытом диоде меняются в одну и ту же сторону. Для получения большего эффекта термостабилизации диод и транзисторы следует подбирать.

Расчет выходной мощности, КПД и нелинейных искажений в каскаде усиления мощности класса АВ можно производить с статочной степенью точности по формулам (3.14), (3.16), (3.19), выведенным для режима класса В в § 3.2.

Трансформаторы, используемые в рассмотренных схемах, не позволяют снизить габариты и вес усилителей мощности, ухудшают их амплитудно-частотную характеристику. Изготовление трансформаторов требует больших затрат ручного труда, дефицитных материалов, и как элементы схемы трансформаторы имеют низкую надежность. Поэтому в настоящее время широко распространены бестрансформаторные двухтактные усилители мощности, построенные на паре транзисторов разного типа электропроводности (рис. 4.27, а).

Схема состоит из двух однотактных эмиттерных повторителей (плеч), работающих попеременно, в течение одного полупериода входного сигнала. Питание плеч осуществляется раздельно, от двух разнополярных источников постоянного напряжения , объединенных общей шиной, которая обычно заземляется. Благодаря разному типу электропроводности транзисторов каскад не требует парафазных входных напряжений.

Отрицательная обратная связь позволяет уменьшить нелинейные искажения, а также влияние асимметрии плеч. Однако в схемах с использованием эмиттерных повторителей выходное напряжение не может превышать входное, т. е. происходит по существу лишь усиление тока. Каскад (рис. 4.27, а) работает следующим образом.

В отсутствие входного сигнала точка имеет нулевой потенциал. На базе каждого транзисторов за счет делителя создается постоянное напряжение смещения , равное падению напряжения на соответствующем диоде и обеспечивающее работу каскада в режиме класса АВ.

Если пренебречь током смещения базы транзистора и положить через каждый диод протекает ток

При положительной полуволне входного напряжения с амплитудой диоды остаются открытыми. Напряжение поступает на базы транзисторов. При этом транзистор запирается, а ток базы транзистора увеличивается на величину

Ток через диод становится равным

где - ток через резистор R при положительном напряжении .

Ток станет равным нулю, т. е. диод закроется, при максимальном значении , которое можно определить из формулы (4.84), положив в ней . После преобразований получим

Таким образом, для расширения динамического диапазона входного сигнала необходимо уменьшать сопротивление резистора R в цепи смещения. Однако при уменьшении R шунтируется входное сопротивление эмиттерного повторителя, составляющего плечо каскада.

При отрицательной полуволне входного напряжения запирается транзистор и увеличивается ток транзистора .

Процессы преобразования входного сигнала в каскаде усиления мощности для положительной и отрицательной полуволн протекают в принципе одинаково. Поэтому формулы (4.83) и (4.84) Для обеих полуволн входного сигнала идентичны и отличаются лишь индексами, соответствующими открытому транзистору.

Графический расчет бестрансформаторного каскада производится по выходным характеристикам транзисторов и не отличается от графического расчета каскада с использованием . При этом роль сопротивления в бестрансформаторном каскаде играет сопротивление .

Для определения входного сопротивления, входной мощности и нелинейных искажений бестрансформаторного каскада следует пользоваться динамическими входными характеристиками, при построении которых по оси абсцисс следует откладывать не напряжение , а напряжение .

Наличие двух источников питания в схеме рис. 4.27, а может вызвать определенные неудобства при пользовании схемой. Для замены двух источников питания одним последовательно с нагрузкой включают разделительный конденсатор достаточно большой емкости (рис. ). По постоянному току транзисторы схемы включены последовательно. Поэтому при идентичных параметрах транзисторов постоянное напряжение на раздельном конденсаторе составляет и является «источником питания» для транзистора .

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора равно .

Для исключения искажений выходного сигнала за счет конденсатора необходимо, чтобы напряжение оставалось постоянным в течение отрицательного полупериода (транзистор открыт) входного синусоидального сигнала с частотой, соответствующей низшей частоте полосы пропускания. Тогда изменение напряжения на нагрузке будет определяться изменением напряжения на эмиттере открытого транзистора .

Емкость конденсатора выбирают, пользуясь соотношением

где - выходное сопротивление эмиттерного повторителя одного из плеч усилителя.

Методика расчета каскада не отличается от методики расчета рассмотренных каскадов усиления мощности, т. е. производится с использованием статических характеристик транзистора одного плеча. При этом следует учесть, что рабочая точка покоя соответствует уровню напряжения питания транзистора одного плеча .

Недостатком бестрансформаторных каскадов, приведенных на рис. 4.27, является большое различие параметров у разных типов электропроводностей. Для устранения этого недостатка промышленностью выпускаются «пары» транзисторов с одинаковыми параметрами, но разным типом электропроводности, так называемые комплементарные транзисторы, ассорти мент которых соответствует различным уровням выходной мощ ности усилителя, например .

Чтобы увеличить нагрузочную мощность усилителей мощности, выполненных на основе эмиттерных повторителей, используют составные транзисторы. Принципиальная схема такого усилителя мощности приведена на рис. 4.28. В схеме (рис. 4.28) вместо резисторов R, определяющих ток диодов смещения применяют источники постоянного тока I, позволяющие расширить динамический диапазон входного сигнала.

Действительно, заменяя в формуле на и приравнивая , получим

Кроме того, источники постоянного тока, обладая высоким внутренним сопротивлением, не шунтируют высокое входное сопротивление эмиттерных повторителей на составных транзисторах , что также является существенным преимуществом источника тока перед обычными резисторами .

В качестве источника постоянного тока можно использовать транзистор, включенный по схеме с общей базой, входная цепь которого обеспечивает постоянство тока эмиттера, т. е. . Тогда при различных изменениях коллекторного напряжения рабочая точка будет перемещаться только по одной ветви семейства выходных характеристик (рис. 4.29) и ток коллектора останется практически постоянным.

Точнее, изменение коллекторного тока при изменении коллекторного напряжения транзистора и постоянном токе эмиттера определяется значением дифференциального сопротивления коллекторного перехода

которое в схеме ОБ велико и составляет несколько (сравните с в схеме ОЭ).

В схеме рис. 4.30 источники постоянного тока выполнены на транзисторах . Через каждый из транзисторов протекает ток

где - падение напряжения на резисторе или напряжение стабилизации стабилитрона , которое, очевидно, должно превышать напряжение на эмиттерном переходе транзистора .

Кроме стабилитронов в цепях смещения транзистора можно использовать светодиод с красным свечением, падение напряжения на котором в открытом состоянии составляет 1,8 В, или два последовательно включенных выпрямительных диода.

Ток эмиттера транзистора выбирается из условия

где - амплитуда базового тока транзистора .

Ток в делителе выбирается равным коллекторному току транзистора . Тогда сопротивления находятся из формулы

В многокаскадных усилителях последний (выходной или оконечный) каскад является каскадом усиления мощности, выделяемой в полезной нагрузке. При этом выходная мощность каскада УМ должна быть достаточной для приведения в действие нагрузки, подключенной всего выходную цепь. Выходной каскад УМ должен максимально усиливать мощность усиливаемого сигнала при допустимом коэффициенте нелинейных искажений и более высоком КПД.

Различают однотактные или двухтактные выходные каскады УМ, которые могут собираться на мощных усилительных лампах, или на транзисторах, или на газоразрядных тиратронах.

Однотактные каскады усиления мощности. Такие УМ, работающие в режиме класса А, дают возможность отбирать в нагрузку выходную мощность полезного сигнала от долей ватта до 3 ÷ 5 Вт при электрическом КПД до 10 ÷ 30% и минимально допустимых уровнях нелинейных искажений в заданной полосе частот.

При этом оптимальная величина сопротивления нагрузки, включенной непосредственно в выходную цепь мощного каскада, выбирается, исходя из соотношений Rа = Rн = (2÷ 4) * Ri - для триодных схем и Rн = Rа ≈ (0,1 ÷ 0,5) * Ri - для каскадов УМ на. мощном пентоде или лучевом тетроде. При этом схемы таких каскадов УМ и методы их графоаналитического расчета.подобны ранее приведенным схемам усилительных каскадов напряжения (см. рис. 5, 7 и 8). Такие простейшие каскады УМ дают возможность усилить сигнал по мощности с минимальными нелинейными искажениями в широком диапазоне частот.

Существенным недостатком таких бестрансформаторных схем УМ является прохождение через нагрузку не только полезной переменной составляющей анодного тока, но и его постоянной составляющей, значительно уменьшая КПД каскада и требуя более высокого напряжения источника питания Eа . Кроме того, для максимального использования полезной выходной мощности, которую может передать бестрансформаторный оконечный каскад во внешнюю нагрузку, необходимо соблюдать равенство оптимальной величины выходного сопротивления выходной цепи каскада УМ с величиной сопротивления внешней нагрузки Rн , включенной непосредственно в эту цепь, то есть Rвых = Rн .

Однако на практике в большинстве случаев сопротивление нагрузки Rн бывает меньше указанной выше оптимальной величины анодного сопротивления R а . Это объясняется тем, что в качестве внешней нагрузки в выходную цепь каскада УМ зачастую включается обмотка электродинамического громкоговорителя, электромагнитного реле, электродвигателя, электроконтактора, шагового искателя, самописца, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей головки, двухпроводная абонентская или фидерная линия и т. п., которые обладают небольшим сопротивлением (единицы, десятки, сотни Ом, единицы кОм).

Поэтому если R н < R вых к-да , то внешняя нагрузка включается в выходную цепь каскада УМ при помощи выходного трансформатора, согласующего величину Rн с оптимальной величиной выходного сопротивления каскада R вых к-да . При этом сопротивление внешней нагрузки, включенной во вторичную обмотку трансформатора, перерсчитывается в приведенное сопротивление его первичной обмотки, включенной в выходную цепь каскада, по следующей формуле:

где коэффициент трансформации

Более точно величину оптимального значения эквивалентного сопротивления каскада УМ можно определить графическим методом, пользуясь наиболее приемлемой нагрузочной линией на семействе анодных характеристик (рис. 14) выбранной мощной усилительной лампы, то есть отрезками об и оа в сбответствующих единицах измерения:

Таким образом, по переменной составляющей анодного тока оптимальная величина приведенного сопротивления анодной нагрузки Rвых к-да может достигать от единиц до десятков и сотен килоом.

Пользуясь этим же графиком, по треугольнику авс можно определить полезную мощность в нагрузке

Коэффициент полезного действия у мощных трансформаторных каскадов УМ выше, чем у бестрансформаторных, так как ток покоя I а0 течет только через малое активное сопротивление первичной обмотки, минуя Rн . При этом

где Ро = I а0 * E а - полная мощность в режиме класса А, расходуемая от источника питания.

Следует иметь в виду, что у однотактных трансформаторных каскадов УМ более узкая полоса частот, больше габариты, масса, выше стоимость, что отражает их недостатки.

На рис. 15 приведены типовые схемы однотактных трансформаторных каскадов УМ на мощном триоде (а) и лучевом тетроде (б), работающие в режиме класса А с автоматическим смещением рабочей точки.

В этих схемах назначение каждого элемента каскада УМ аналогично рассмотренным ранее схемам усилительных каскадов напряжения с анодной нагрузкой (рис. 6 и 8).

Как видно из графиков на рис. 16, для получения оптимальной величины полезной выходной мощности

необходимо на вход каскада УМ подавать входное напряжение с амплитудой |±Umax | ≈ |-Uc 0 |, снимаемое с предварительного усилительного каскада или с датчика входного сигнала. При этом нагрузочная линия должна проходить почти касательно к кривой допустимой мощности P а доп , не пересекая ее.

Поскольку в режиме класса А рабочая точка находится на середине прямолинейного участка входной динамической характеристики каскада, то этим обеспечивается условие работы с минимальными нелинейными искажениями сигнала.

У триодных каскадов УМ нелинейные искажения меньше, чем у каскадов УМ на пентодах или лучевых тетродах.

Однако в большинстве случаев электрический КПД каскада УМ в режиме класса А практические превышает 10 ÷ 15% для триодных схем и 15 ÷ 30% для мощных пентодных и лучевых тетродных схем.

Нужно иметь в виду, что в каскадах УМ с трансформаторным выходом при малой величине активного сопротивления его первичной обмотки (r 1тр = десятки ÷ сотни Ом) анодное напряжение в режиме покоя лишь немного меньше напряжения источника питания E а , то есть

Для триодных схем,

Для схем на пентодах или лучевых тетродах, имеющих дополнительную цепь экранной сетки.

Поэтому линия нагрузки по постоянному току на семействе статических анодных характеристик (рис. 16) идет очень круто, под большим углом

В динамическом же режиме работы при подаче на вход трансформаторного каскада УМ синусоидального (гармонического) входного сигнала при оптимальном значении приведенной нагрузки R экв наибольшее напряжение Ea макс между выходными электродами увеличивается почти в два раза (а иногда и более) по сравнению с U a0 . Это явление объясняется тем, что при убывании выходного тока к величине E а добавляется противоЭДС индуктивности первичной обмотки трансформатора, задерживающей процесс убывания анодного тока. Поэтому в динамическом режиме работы такого каскада УМ нагрузочная линия по переменной составляющей анодного тока определяется величиной R экв и E а макс > Еа и, проходя через ту нерабочую точку, через которую проходит линия нагрузки по постоянному току, имеет значительно меньший угол наклона (рис. 16)

При расчете максимальной выходной мощности трансформаторного каскада УМ, учитывая КПД трансформатора, определяют по заданной величине необходимой полезной мощности в нагрузке Pполезн необходимую величину выходной мощности каскада, а именно:

Затем выбирают усилительную лампу, у которой допустимая мощность, рассеиваемая анодом, Pа доп ≥ 6Pвых к-да для триода и а Pа доп ≥ 4 Pвых к -да для.пентода или лучевого тетрода. При этом напряжение на аноде в режиме покоя принимают равным Uа0 = (0,7 ÷ 0,8) * Ua доп , а величину тока покоя берут равным

Полезная мощность, выделяемая в нагрузке, будет равна P полезн = η тр * P вых к-да = 0 ,5 η тр * Ima * Uma =0,5 η тр * I 2 ma Rэкв .

Отсюда можно определить коэффициент трансформации

Коэффициент усиления каскада УМ по напряжению

Для учета потерь полезной мощности в выходном трансформаторе принимают величину его КПД в пределах, указанных в табл. 1.

В.Майоров, С.Майоров - Усилительные устройства на лампах, транзисторах и микросхемах

Выходные каскады на базе " двоек "

В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением (от 100 Ом до 10,1 кОм) с шагом 2 кОм (рис. 3). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм) мы в какой - то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС, а в другом (100 Ом) - к схеме с замкнутой ООС.

Основные типы составных биполярных транзисторов (БТ) показаны на рис. 4. Наиболее часто в ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона (рис. 4 а) на базе двух транзисторов одной проводимости (" двойка " Дарлингтона), реже - составной транзистор Шиклаи (рис. 4б) из двух транзисторов разной проводимости с токовой отрицательной ОС, и еще реже - составной транзистор Брайстона (Bryston , рис. 4 в).
" Алмазный " транзистор - разновидность составного транзистора Шиклаи - показан на рис. 4 г. В отличие от транзистора Шиклаи, в этом транзисторе благодаря " токовому зеркалу " ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков. Иногда транзистор Шиклаи используют с коэффициентом передачи больше 1 (рис. 4 д). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно получить и на полевых транзисторах (ПТ).

1.1. Выходные каскады на базе " двоек ". " Двойка " - это двухтактный выходной каскад с транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, Шиклаи или их комбинации (квазикомлементарный каскад, Bryston и др.). Типовой двухтактный выходной каскад на " двойке " Дарлингтона показан на рис. 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 (рис. 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания, то эти транзисторы будут работать без отсечки тока, т. е. в режиме класса А.

Посмотрим, что даст спаривание выходных транзисторов для двойки " Дарлингт она (рис. 13).

На рис. 15 приведена схема ВК, использованная в одном из професс и ональных усилителей.

Менее популярна в ВК схема Шиклаи (рис. 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады, когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона, а нижнее - по схеме Шиклаи. Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично, что приводит к дополнительным искажениям. Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла, в качестве которого использован базо - эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис. 20.

Кроме рассмотренных " двоек ", есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости, а коллекторным током - транзисторами другой проводимости (рис. 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах, например, Lateral MOSFET (рис. 24) .

Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах (рис. 30).

В качестве эффективного способа повышения и стабилизации входного сопротивления " двойки " предлагается использовать на ее входе буфер, например, эмиттерный повторитель с генератором тока в цепи эмиттера (рис. 32).

Из рассмотренных " двоек " наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи. Посмотрим, что может дать для такого каскада применение буфера. Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости, включенных параллельно (рис. 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления. Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами. Посмотрим, что даст установка параллельного буфера на ее входе (рис. 37).

Параметры исследованных вы ходных каскадов сведены в табл. 1 .

Анализ таблицы позволяет сделать следующие выводы:
- любой ВК из " двоек " на БТ как нагрузка УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности;
- характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало зависят от сопротивления источника сигнала;
- буферный каскад на входе любой из " двоек " на БТ повышает входное сопротивление, снижает индуктивную составляющую выхода, расширяет полосу пропускания и делает параметры независимыми от выходного сопротивления источника сигнала;
- ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным буфером на входе (рис. 37) имеет самые высокие характеристики (минимальные искажения, максимальную полосу пропускания, нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне).

Выходные каскады на базе " троек "

В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры: " тройки " Дарлингтона, Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона, Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации. Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов (рис. 39). На рис. 41 показан ВК с разветвлением каскадов: входные повторители одновременно работают на два каскада, которые, в свою очередь, также работают на два каскада каждый, а третья ступень включена на общий выход. В результате, на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы.

Схема ВК, в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона, изображена на рис. 43. Параметры ВК на рис.43 можно существенно улучшить, если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с " двойками " параллельный буферный каскад (рис. 44).

Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис. 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис. 46 . На рис. 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи (рис.4 д) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А (цепи термоста билизации не показаны).

На рис. 51 показан ВК по структуре предыдущей схемы только с единичным коэффициентом передачи. Обзор будет неполным, если не остановиться на схеме выходного каскада с коррекцией нелинейности Хауксфорда (Hawksford), приведенной на рис. 53 . Транзисторы VT 5 и VT 6 - составные транзисторы Дарлингтона.

Заменим выходные транзисторы на полевые транзисторы типа Lateral (рис. 57

По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков, которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов, способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов. Варианты таких решений показаны на рис. 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия. На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5...1,5 В, что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе. В первом варианте (рис. 58 а) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р - коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В (падение напряжения на диоде). Вторая схема (рис. 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах. Аналогичные решения применяются и в силовых ключах.

Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное, на 10...15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада. В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды. Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис. 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 (рис. 59), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов. При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.

Схемы смещения

Ранее, с целью упрощения, вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения. Многие из рассмотренных схем, в частности, выходные каскады с параллельным повторителем на входе, не нуждаются в схемах смещения, что является их дополнительным достоинством. Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения, которые представлены на рис. 60 , 61 .

Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: диф ференциальный каскад (ДК), отражатель тока (" токовое зеркало "), схема сдвига уровня, каскод (с последова тельным и параллельным питанием, последний также называют " лома ным каскодом "), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Оценку параметров основных схем ГСТ (рис. 62 - 6 6) сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.

Отражатели тока

Рассмотренные схемы ГСТ - , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН. В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом (ДК) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру " токового зеркала " или, как его еще называют, " отражателя тока " (ОТ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона, Хафлера и др. Основные схемы отражателей тока приведены на рис. 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи (точнее, близким к 1), так и с большим или меньшим единицы (масштабные отражатели тока). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3...20 мА: Поэтому испытаем все ОТ при токе, например, около 10 мА по схеме рис. 68.

Результаты испытаний приве дены в табл. 3 .

В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 - 7; № 2, с. 5 - 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06

Целью автора было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания " пространства " во время прадничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему - легкодоступность комплектующих. Стремясь достичь качества Hi - Fi , я выбрал комплементарно - симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В. Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2x60 В. Схема усилителя приведена на рис. 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя.

А. ПЕТРОВ, Радиомир, 201 1 , №№ 4 - 12

Выходные каскады усилителей Назначение выходных каскадов. Выходной каскад предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при высоком кпд и минимальном уровне нелинейных и частотных искажений. Основными эксплуатационными показателями выходного каскада являются отдаваемая в нагрузку полезная мощность и кпд, качест-венными — уровень нелинейных искажений и полоса пропускания. Нелинейные искажения и кпд каскада зависят от выбора рабочей точки транзистора (электронной лампы). При большой величине сигнала нелинейные искажения в выходных каскадах на транзи-сторах возникают из-за нелинейности входных и выходных характе-ристик. При жестких требованиях к уровню нелинейных искаже-ний выходной каскад используют в режиме А, для получения высо-кого кпд — в режимах АВ и В.

Способы подключения нагрузки. По способу подключения нагруз-ки различают выходные каскады

• с непосредственным включением нагрузки
• резисторные
• трансформаторные
• дроссельные.

При непосредственном включении нагрузки в выходную цепь усилительного элемента без выходного устройства уп-рощается схема усилителя, отсутствуют дополнительные потери, а также нелинейные и частотные искажения, которые вносятся вы-ходным устройством. Недостатками непосредственного включения нагрузки являются прохождение через нагрузку постоянной состав-ляющей тока питания и невысокий кпд схемы (около 20 % в тран-зисторах и 10:% в ламповых схемах усиления).

В резисторных выходных каскадах нагрузка включа в выходную цепь через резисторно-емкостное - выходное уст-ройство. Ток питания через нагрузку не проходит, в схеме отсутству-ют дорогие громоздкие детали; обеспечивается пропускание широ-кой полосы рабочих частот. При включении нагрузки через RС-эле-менты кпд схемы мал (порядка 5 — 6 % на транзисторах и еще меньше в ламповых каскадах), поэтому такое включение целесооб-разно лишь при небольшой выходной мощности.

Трансформаторные и дроссельные выходные каскады позволяю т получить в нагрузке наибольшую неискаженную мощ-ность. При трансформаторном подключении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не проходит через сопротивление на-грузки, поэтому.уменьшается расход потребляемой мощности пи-тания и повышается кпд. Трансформаторный каскад может обес-печить относительно высокий кпд при различных нагрузках.

Схемы выходных каскадов. Выходные каскады могут быть

• однотактными
• двухтактными.

Однотактные каскады используются при относительна малых выходных мощностях, двухтактные — при больших. В однотактных схемах транзисторы работают в режиме А, в двухтактных — в режимах А, АВ или В. Наиболее экономичной является двухтактная схема выходного каскада, работающая в ре-жиме В.

В зависимости от требований к отдаваемой мощности и уровню нелинейных искажений-транзисторы в выходных каскадах могут работать с ОЭ или ОБ. Электронные лампы в выходных каскадах обычно включают с общим катодом, что позволяет осуществить возбуждение сигналов с малой амплитудой. Схема с ОЭ обеспечи-вает наибольшее усиление по мощности, однако в ней возрастают нелинейные искажения, а также неэкономичны по потреблению энергии цепи стабилизации режима. В схеме с ОБ транзисторы мо-гут работать с большим напряжением на коллекторе и иметь срав-нительно линейную переходную характеристику. Схема с ОБ поз-воляет получить меньший коэффициент нелинейных искажений и стабильный режим работы каскада при изменениях температуры, напряжения питания и замене транзистора. В схеме с ОБ велик входной ток сигнала, что требует отдачи большей мощности пред-варительным каскадам и заставляет выполнять их с транформаторным выходом.

Однотактные выходные каскады. Схемы однотактных выходных каскадов с трансформаторным включением нагрузки с ОЭ и ОБ могут быть использованы лишь в режиме А. Для уменьшения коллекторного тока, вызванного изменениями режима, в схемы введены элементы Rэ, Сэ эмиттерной стабилизации. В схеме с ОБ сопротивлением эмиттерной стабилизации является активное сопротивление вторичной обмотки трансформа-тора Tpl; если его недостаточно, в цепь эмиттера дополнительно включают резистор Rэ и шунтируют по переменному току конден-сатором Сэ.

Обычно оптимальное сопротивление нагрузки выходной цепи для транзисторов составляет десятки — сотни омов, для электрон-ных ламп — единицы килоомов, а сопротивление внешней нагрузки усилителя — единицы — десятки омов (например, сопротивление звуковой катушки головки динамического громкоговорителя 3 — 10 Ом). Непосредственное включение низкоомного сопротивления нагрузки в выходную цепь усилительного элемента вызовет умень-шение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, а также рост нелинейных искажений. Трансформаторное включение нагрузки обеспечивает согласование фактической нагрузки усилителя с оп-тимальной нагрузкой выходной цепи усилительного элемента.

Однотактные выходные каскады имеют малый кпд. Использова-ние в схеме более мощных транзисторов позволяет повышать от-даваемую неискаженную мощность. Однако кпд при этом не по-вышается, а наличие большого подмагничивающего тока в первич-ной обмотке трансформатора снижает индуктивность и тем самым ухудшает передачу низших частот. Лучшие показатели можно по-лучить от выходного каскада, выполненного по двухтактной схеме.

Двухтактные выходные каскады . Двухтактные трансформатор-ные усилители (ДТУ) позволяют получить большую выходную мощность полезного сигнала. Выходная мощность каскада опреде-ляется типом усилительных приборов и режимом их работы; кпд зависит только от режима работы.

Схема ДТУ состоит из двух идентичных однотактных усилите-лей (плеч) на транзисторах или электронных лампах» работающих на общую нагрузку. Плечи электрически симметричны (имеют одинаковые параметры усилительных элемен-тов и режимы их питания).

При подаче на входной трансформатор ТрГ усилителя пере-менного синусоидального напряжения снимают с его вторичных полуобмоток равные, но противофазные (сдвинуты на 180°) напряжения UBX1 и UBX2 которые действуют.в Каждом плече между базой и эмиттером транзисторов VI и V2. Токи iK1 и iк2 в коллекторной цепи каждого транзистора в схеме с ОЭ противоположны по фазе управляющим напряжениям на базе (см. рис. 88, а, б), поэтому сдвиг фаз между токами iк1 и шK2 соста-вит также 180°

Через первичную обмотку выходного трансформатора Тр2 кол-лекторные токи транзисторов VI и V2 проходят в противоположи ных направлениях, поэтому магнит-ные потоки, создаваемые ими в сер-дечнике трансформатора, будут иметь результирующий сдвиг по фазе 360° (на 180° они сдвинуты за счет сдвига напряжений на базах и еще на 180° из-за прохождения токов iK1 и t*K2 в противоположных направле-ниях). Переменный магнитный поток в сердечнике и ток вторичной обмот-ки Тр2 (ток нагрузки) пропорцио-нальны разности токов: Ф=KПр(iк1 — ikz) = Дпр(Iок1+Iк1т Sin wt —> Iок2 +Iк2т sin wt), где Kпр — коэффици-ент пропорциональности. При идентичности плеч постоян-ные составляющие коллекторного то-ка равны Iок1=Iок2. Эти токи прохо-дят по первичной обмотке выходного трансформатора Тр2 в противополож-ных направлениях, поэтому намагни-чивающие силы этих токов взаимно компенсируются вследствие чего вы-ходной трансформатор работает без постоянного подмагничивания.

Поскольку Iк1т=Iк2т=Iкт, переменный магнитный поток Ф= Кпр(1к1т Sin wt + Iк2т sin wt) = 2KПрIкт sin wt.

Во вторичной обмотке выходного трансформатора под действи-ем этого потока будет индуктироваться эдс, пропорциональная удвоенной амплитуде переменного коллекторного тока. В резуль-тате мощность, отдаваемая двухтактным усилителем, будет вдвое больше мощности, отдаваемой транзистором каждого плеча каскада.

В Двухтактной схеме Компенсируются четные гармоники усили-ваемого тока. Гармоники совпадают по фазе, но проходят в-проти-воположных направлениях по полуобмоткам трансформатора Тр2$ вследствие чего компенсируются их магнитные потоки и уменьша-ются нелинейные искажения усилителя. Уровень нелинейных иска-жений возрастает при несимметрии схемы (неидентичности пара-метров транзисторов или ламп в плечах схемы). Двухтактные выходные каскады допускают использование ре-жимов А, АВ и В. Наиболее часто они работают в режиме В, при котором рабочая точка выбирается в области отсечки коллекторного токаВ исходном состоянии в этом режиме тран-зисторы закрыты. При подаче даже слабого сигнала один из тран-зисторов открывается. Смена состояний транзисторов будет проис-ходить через половину периода усиливаемых колебаний.

Графики физических процессов в ДТУ, работающем в режиме В, Для более эффективного использования транзисторов выбирают напряжения UKm=EK, Iкт=Iк.макс, т. е. на-пряжение питания и амплитуду выходного тока ограничивают зна-чениями Eк

где Iкт = Iк.макс — Iк.мин; Uкт = Eк — (Uк.мин+АEк). Мощность, потребляемая от источника питания обоими тран-зисторами Ро = 2Eк(Iк.ср + Iк.мин), где 1«.ср = 1кт1п — постоянная составляющая полусинусоидального импульса выходного тока с ам-плитудой Iкт. Электрический кпд каскада (без учета потерь в трансформа-торе) здесь Uкт/Eк=Е — коэффициент использования коллекторного ис-точника. При Iкт>пIк.мин кпд nв~пз/4; при полном использовании коллекторного источника (з=1) кпд nв=nмакс=п/4=0,786, т.; е. 78,6%. Мощность, выделяемая на коллекторах обоих транзисторов, 2РК=Р0 — P=PI(nв — Р)=Р(1 — nв)/nв. Чтобы избежать перегрузки транзисторов, мощность, отдаваемая нагрузке двухтактным выход-ным каскадом в режиме В, Рк.макс> (0,25-0,3) РН/nТР. При большом уровне входного сигнала транзисторы большую часть полуперио-да работают в режиме насыщения с верхней отсечкой коллекторного тока, форма выходного сигнала приближается к прямоугольной.

При этом кпд может достигать 90 — 95 %, а мощность в нагрузке в 10 — 20 раз превышает мощность рассеивания на коллекторе. К преимуществам двухтактных схем относят: уменьшение не-линейных искажений по сравнению с однотактными схемами при одинаковой полезной мощности; отсутствие подмагничивания сер-дечника выходного трансформатора, что облегчает его конструкцию; меньшую чувствительность к пульсациям питающего напряжения, фону вследствие компенсации магнитных потоков, возбуждаемых противофазными коллекторными токами; снижение влияния на каскады предварительного усиления через источники питания из-за компенсации токов сигнала в питающих проводах, что позволяет упростить развязывающие фильтры.

Бестрансформаторные выходные каскады . Эти каскады выпол-няются на транзисторах с одинаковыми параметрами, но с различ-ным типом проводимости (со структурами р-n-р и n-р-n. При этом отпадает потребность во входном трансформаторе, ин-вертирующем сигнал на входе каскада. В такой схеме из-за различ-ной проводимости транзисторы будут работать поочередно при по-даче на вход переменного напряжения от обычного.усилительного каскада. Небольшое напряжение питания позволяет исключить и выходной трансформатор.

Бестрансформаторные каскады просты в исполнении, высоко-стабильны, малогабаритны, однако имеют меньший коэффициент |усиления по мощности, значительные нелинейные искажения, потреб-ляют большую мощность предоконечных каскадов. Нелинейные ис-кажения можно скомпенсировать введением более глубокой ООС.

Схемы бестрансформаторных выходных каскадов на составных транзисторах с различным типом проводимости обеспе-чивают более высокую чувствительность (за счет большего усиления по мощности) и меньшие нелинейные искажения.

Основным назначением выходного каскада является передача в нагрузку максимальной и необходимой мощности, близкой к предельной для данного типа транзистора, при наименьшем потреблении мощности от источника питания и допустимых уровнях искажений.

Поэтому выходной каскад это каскад мощности. Основными показателями такого каскада являются:

· Отдаваемая в нагрузку мощность,

· Уровень нелинейных искажений и допустимая частота пропускания.

Нелинейные искажения и К.П.Д. зависят от начальной точки покоя транзистора. Поэтому важным при выборе выходного каскада является режима работы. При больших сигналах нелинейные искажения могут возникать как из-за нелинейности входных, так и выходных характеристик транзисторов.

Основываясь на проведенных рассуждениях можно, по выходным характеристикам транзисторов рис. 4.1. показать, что усилители могут быть трех классов

1. А - точка покоя выбирается такой, что при движении по линии нагрузки она не выходит ни в одну нелинейную зону.

2. В - точка покоя находится в крайнем правом положении на характеристике I б =0. Таким образом, такой усилитель усиливает только одну полуволну входного сигнала. Как правило, такие усилители работают по двухтактной схеме.

3. АВ - Промежуточный класс, он позволяет снизить нелинейность, но не устраняет ее полностью.

При жестких требованиях к нелинейным искажениям выходные каскады работают в классе А. Высокий К.П.Д. можно получить в классах В, АВ.

Как правило, выходное сопротивление усилителей мощности велико, а сопротивление нагрузки мало и поэтому в каскадах используется трансформаторная связь, что позволяет получить высокие значения неискаженной мощности.

При трансформаторном включении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не протекает через нагрузку, что уменьшает расход потребляемой мощности питания и повышает К.П.Д.

Рис.2.34. Выходные характеристики усилителя мощности.

Усилители класса А

Такие усилители предназначены для получения определенной мощности на нагрузке. В таких усилителях применяется трансформаторная связь с нагрузкой рис 2.35. При трансформаторном включении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не протекает через нагрузку, что уменьшает расход потребляемой мощности питания и повышает К.П.Д.

Режим покоя (U вх=0). За счет смещения появляются токи: I бп. , I кп = βI бп +(1+β)I кбо

Если трансформатор идеален, сопротивление первичной обмотки трансформатора постоянному току равно нулю и U кп = Е к

При U вх >0 появляется приращение ΔI б, ΔI к = βΔI б. Нагрузкой является:

R н / =R н ω 1 2 /ω 2 2 . Как было сказано раннее, необходимым параметром является К.П.Д.

где

Рис.2.35 Однотактный усилитель мощности.

Рис.2.36. Зависимости η = f (ξ), Р к =f(ξ), для усилителя класса А

На основе полученных кривых можно сделать выводы:

1. К.П.Д. - мах значение получается при значительном входном сигнале.

2. Мощность, потребляемая от источника, не зависит от величины входного сигнала.

3. Мах значение мощности потерь получаем в режиме покоя.

Такие усилители предназначены для передачи двухполярных сигналов. При этом они обладают рядом недостатков:

· Низкий К.П.Д ., особенно при малом входном сигнале,

· Р о не зависит от входного сигнала и в режиме покоя расходуется впустую,

· Наличие трансформатора определяет неблагоприятный характер частотных характеристик,

· Невозможност ь передачи однополярных сигналов

Усилители класса В

В таких усилителях нагрузка включается непосредственно в коллекторную цепь

рис 2.37. В режиме покоя, когда u вх = 0, смещение на базу транзистора не подается и

I кп = 0, Р н = 0, т.е. нагрева транзистора в режиме покоя нет. При подачи на базу положительного входного сигнала ток коллектора увеличивается, появляется падение напряжения на коллекторном сопротивлении. При отрицательном сигнале выходное напряжение равно нулю, т.е. такой усилитель, может усиливать сигналы одной полярности. Это исключает применение трансформатора для связи с нагрузкой.

Рис.2.37. Однотактный усилитель класа В

Определим К.П.Д. каскада для случая указанного сигнала. Мощность, отдаваемую в нагрузку определим с учетом того, что в данном случае действующее значение U вых =U выхм

/R н =

Мощность, потребляемая от источника, зависит от среднего тока, протекающего через нагрузку
ξЕ к 2 /R н

Получаем К.П.Д ή=ξ

Из рассмотренных кривых рис. 2.37. можно сделать следующие выводы:

· К.П.Д. каскада класса В выше, чем в схеме рис. 2.36, особенно при малых и средних сигналов u вх.

· Мощность, потребляемая от источника Е к, минимальна в режиме покоя и увеличивается при росте u вх.

· Мощность потерь максимально при средних значениях ξ, но намного меньше, чем максимальная мощность потерь в схеме 2.36. При малых ξ, Р к мала, так как малы токи через транзистор, при больших ξ Р к также мала, поскольку падение напряжения на нагрузке велико, а падение напряжения на транзисторе u k = E k – u вых. мало.

Все сказанное позволяет сделать вывод, что усилители класса В имеют преимущества перед каскадами класса А. Невозможность усиления двухполярных сигналов преодолена в двухтактном усилителе мощности.

Двухтактный каскад усилителя мощности класса В

Один из возможных вариантов такого усилителя приведен на рис.2.38

В режиме покоя оба транзистора заперты. При подачи положительного входного сигнала u вх. увеличивается ток i к1 п-р-п транзистора V 1 . Схеме работает так же, как каскад на рис. 4.4 транзистор V 2 заперт

Рис 2.38. Двухтактный усилитель мощности класса В.

При напряжении отрицательной полярности заперт транзистор V 1 , ток i к2 р-п-р транзистора V 2 , протекающий через нагрузку, увеличивается. Таким образом, транзисторы вступают в работу поочередно в зависимости от полярности усиливаемого сигнала. К запертому транзистору прикладывается напряжение u k = E k + u вых. , которое в пределе при больших ξ стремится к 2Е к, что необходимо учесть при выборе транзистора