3.2.4. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления

Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь усилительных элементов без выходного трансформатора позволяет устранить вносимые последним частотные, фазовые и нелинейные искажения, уменьшить габаритные размеры, массу, объем и стоимость каскада, повысить его КПД и избавиться от нелинейных искажений, вызываемых отсечкой тока в режиме В. Однако в обычных однотактных схемах непосредственное включение нагрузки оказывается невозможным из-за прохождения через нагрузку постоянной составляющей тока, вызывающего резкое уменьшение отдаваемой каскадом мощности и его коэффициента полезного действия. Прохождение постоянной составляющей тока через нагрузку и связанное с этим снижение КПД, а также вносимые транс-форматором искажения и потери отсутствуют в схемах бестрансформаторных двухтактных каскадов, имеющих несколько разновидностей. Одной из них является бестрансформаторный двухтактный каскад с параллельным (несимметричным) выходом, варианты схем которого изображены на рис. 3.2.5 (цепи подачи смещения на управляющие электроды усилительных элементов здесь не показаны). Каскады типа рис. 3.2.5 требуют подачи на вход двух равных напряжений сигнала противоположных полярностей, которые, как и в обычной двухтактной схеме, подаются от инверсного каскада. Питание коллекторных цепей транзисторов в схеме рис. 3.2.5а производится от двух одинаковых источников питания, соединенных последовательно, или от одного источника со средней точкой. Если желательно использовать один источник питания без средней точки, применяют схему рис. 3.2.5б; нагрузку здесь включают через разделительный конденсатор С.

При одинаковых верхней и нижней половинках схемы рис. 3.2.5а постоянная составляющая тока через нагрузку Rн включенную в средний провод, не проходит, так как средние значения токов питания плеч I~1 и I~2 равные по величине, в этом проводе направлены в противоположные стороны и взаимно уничтожаются. Переменные составляющие токов 274 плеч I~1 и I~2 проходят через нагрузку в одном направлении и складываются.

Рис. 3.2.5. Транзисторные бестрансформаторные двухтактные каскады с несимметричным выходом: а) с двумя источниками питания или одним источником со средней точкой; б) с одним источником питания без средней точки, но с разделительным конденсатором

В схемах рис. 3.2.5 усилительные элементы по отношению к источнику (или источникам) питания, т. е. по постоянному току, включены последовательно, а по отношению к нагрузке или по переменному току — параллельно; последнее снижает расчетное сопротивление нагрузки и приближает его к сопротивлению обычных электродинамических громкоговорителей.

Напряжение питания и режим работы каскада выбирают такими, чтобы заданное сопротивление нагрузки RH обеспечивало полное использование усилительных элементов как по току, так и по напряжению. В транзисторных каскадах, работающих на громкоговоритель, напряжение питания Е и режим работы каскада подбирают так, чтобы сопротивление громкоговорителя оказалось равным расчетному сопротивлению коллекторной нагрузки. Рассмотренный бестрансформаторный двухтактный каскад можно упростить, если использовать в нем транзисторы с одинаковыми параметрами и характеристиками, но с противоположным характером проводимости — в одном плече транзистор типа p-n-p, в другом — транзистор типа n-p-n. Такой каскад не нужда-ется в инверсном каскаде, так как входные цепи его плечей .можно объединить; при подаче одного и того же напряжения сигнала на управляющие электроды обоих плеч ток в одном плече будет расти, а в другом - падать и схема будет работать как двухтактная. Схемы типа рис. 3.2.6 представляют собой двухтактный каскад с несимметричными выходом и входом; иногда их называют двухтактными каскадами с дополнительной симметрией — в них, так же как и в схемах рис. 3.2.5, выходные цепи усилительных элементов по постоянному току включены последовательно, а по переменному — параллельно. Каскады с дополнительной симметрией при работе как в режиме А, так и в режиме В позволяют использовать в качестве предыдущего каскада не инверсный, а обычный однотактный резисторный каскад даже без разделительного конденсатора (рис. 3.2.7). Бестрансформаторные каскады типа рис. 3.2.5 и 3.2.21 могут работать как в режиме А, так и в режиме В; три работе в режиме А их максимальный КПД теоретически равен 50%, а в режиме В—78,6%, как и у трансформаторных каскадов. Реальный же КПД у бестрансформаторных каскадов обычно оказывается выше, чем у трансформаторных, так как у них отсутствуют потери в трансформаторе. Способы включения транзисторов в бестрансформаторных двухтактных каскадах теоретически могут быть любыми, однако в практических схемах в большинстве случаев транзисторы оказываются включенными с общим коллектором и реже с общим эмиттером.

Рис. 3.2.6. Бестрансформаторные двухтактные каскады с несимметричными входом и выходом (двухтактные каскады с дополнительно симметрией): а) с двумя источниками питания; б) с одним источником питания и разделительным конденсатором

Если в двухтактных каскадах типа рис. 3.2.5 с транзисторами одинаковой проводимости подводить один, входной сигнал между точками А и Б (UВХ2 на рис. 3.2.5), а второй — между точками А и Г (UВХ3 на рис. 3.2.5), что имеет место при предыдущем резисторном инверсном каскаде с разделенной нагрузкой, то нижний транзистор T2 будет работать с общим эмиттером и давать большое усиление как тока, так и напряжения сигнала. Верхний же транзистор Т1 в этом случае оказывается включенным с общим коллектором, так как между его эмиттером и общим проводом схемы А имеется все выходное напряжение Uвых. Поэтому для симметричной работы плеч схемы напряжение сигнала между точками А и Г должно во много раз превышать Uвх2 и быть равным UВХ3 = UВХ1 + Uвых, что требует применения специальной схемы инверсного каскада с разделенной нагрузкой. Однако в настоящее время такую схему почти не используют из-за затруднений, возникающих при работе ее на бестрансформаторный каскад в режиме В. При трансформаторном предыдущем инверсном каскаде напряжения сигнала во входные цепи транзисторов Т1 и Т2 схемы рис. 3.2.5 можно подавать от двух отдельных одинаковых вторичных обмоток, подключив одну из них между точками А и Б, а вторую — между точками В и Г; в этом случае оба транзистора будут работать с общими эмиттерами и давать большое и одинаковое усиление. В бестрансформаторных двухтактных каскадах с дополнительной симметрией типа рис. 3.2.6 при подведении входного напряжения сигнала между точками А и В, что имеет место при использовании резисторного предыдущего каскада, оба транзистора двухтактной бестрансформаторной схемы оказываются включенными с общими коллекторами, вследствие чего, подаваемое на вход напряжение сигнала здесь должно быть больше выходного напряжения. Но если в этих схемах напряжение входного сигнала подводить между точками Б и В, что возможно при трансформаторном предыдущем каскаде, оба транзистора схемы будут работать с общими эмиттерами и давать одинаковое усиление.

При резисторном предыдущем каскаде и напряжении источника питания Е напряжение питания плеча бестрансформаторного каскада равно 0,5Е и при полном использовании этого напряжения максимальная амплитуда выходного сигнала получается немного меньше 0,5Е из-за остаточного напряжения на транзисторах. На вход бестрансформаторного каскада для полного использования напряжения питания нужно подавать сигнал, равный примерно 0,5Е. Но резисторный каскад отдает напряжение сигнала, близкое к этому значению лишь при сопротивлении нагрузки цепи коллектора переменному току R~, равном сопротивлению нагрузки постоянному току R=. При соединении верхнего конца резистора R с источником питания R~ резисторного каскада, равное параллельному соединению R и входного сопротивления двухтактного каскада, оказывается значительно меньше R=≈R. При этом отдаваемая резисторным каскадом амплитуда сигнала не превышает (0,25—0,3) Е, транзисторы и питание выходного каскада используются неполностью, а его КПД и отдаваемая мощность снижаются. Для устранения этого недостатка нагрузку выходного каскада можно включить между верхним проводом питания и конденсатором С , а верхний конец резистора R подключить к точке соединения С и RB. В этом случае на резисторе R будет падать не выходное напряжение резисторного каскада, а в десятки раз меньшее напряжение сигнала база-эмиттер выходных транзисторов и R~ резисторного каскада будет практически равно входному сопротивлению двухтактного каскада, которое может быть сделано близким к R==R или равным ему. При этом сигнал на входе двухтактного каскада будет достаточен для хорошего использования транзисторов и питания, а КПД и отдаваемая мощность близки к теоретическому пределу. Хотя бестрансформаторные каскады типа рис. 3.2.5 и 3.2.6 могут работать как в режиме А, так и в режиме В, их почти всегда используют в режиме В, так как это уменьшает расход энергии питания. В отсутствие трансформаторов здесь нетрудно охватить выходной и один или два предыдущих каскада общей петлей об-ратной связи и получить коэффициент гармоник всего устройства при работе оконечного каскада в режиме В без подбора транзисторов в плечах схемы и полной выходной мощности порядка десятых долей процента и ниже. В схеме рис. 3.2.7 напряжение смещения входных цепей транзисторов Т2 и Т3, необходимое для уменьшения нелинейных искажений слабых сигналов при работе каскада в режиме В, снимается с температурно-зависимого резистора Rc, шунтированного конденсатором Сш для устранения падения на нем напряжения сигнала; Rc и Сш можно заменить подходящим диодом Д, включенным в проводящем направлении, как это сделано на рис. 3.2.8. Резистор Rд1 на рис. 3.2.7 является резистором коллекторной стабилизации, так как использование эмиттерной стабилизации здесь нежелательно из-за снижения и без того недостаточного напряжения питания резисторного каскада с транзистором Т1. Бестрансформаторные каскады с большой выходной мощностью требуют большой ток входного сигнала, и при схеме усилителя, изображенной на рис. 3.2.7, в которой транзистор предыдущего каскада Т1 должен работать в режиме А, этот транзистор потребляет значительную мощность от источника питания, что заметно увеличивает расход энергии на питание устройства. Для уменьшения входного тока сигнала и потребляемой предыдущим каскадом мощности питания транзисторы бестрансформаторного к аскада нередко делают составными.

Рис. 3.2.7 Рис. 3.2.8

Рис. 3.2.7 – простая схема бестрансформаторного двухкаскадного усилителя с выходным каскадом, работающим в режиме В.

Рис. 3.2.8 – бестрансформаторный усилитель с несимметричным выходом и входом и мощными выходными транзисторами, работающими в режиме В.

Широкое применение бестрансформаторных усилительных устройств с большой выходной мощностью и двухтактным выходным каскадом с дополнительной симметрией типа рис. 3.2.6 затрудняет-ся малым выбором пар p-n-p- и n-p-n- транзисторов большой мощности. Для устранения этого затруднения бестрансформаторный выходной каскад можно собрать по схеме рис. 3.2.5 на транзисторах большой мощности одинаковой проводимости Т4 и Т5, а от необходимости применения инверсного каскада избавиться введением в схему p-n-p- и n-p-n- транзисторов малой мощности Т2 и Т3, образующих с транзисторами Т4, и Т5 составные транзисторы и выполняющих роль инверсного каскада (рис. 3.2.8). С резисторов Rб.э здесь снимаются одинаковые напряжения сигнала противоположной полярности на транзисторы Т4, и T5, резисторы Rэ, пока-занные пунктиром, не обязательны — их введение лишь улучшает стабильность работы схемы. В интегральных схемах технологически удобно делать все транзисторы одной проводимости; это условие в схемах рис. 3.2.6—3.2.8 не выполняется. Схема рис. 3.2.5, хотя и содержит транзисторы одной проводимости, но требует применения специального инверсного каскада, не удобного для выполнения по интегральной технологии и для работы в режиме В; поэтому схемы рис. 3.2.5—3.2.25 обычно собирают из отдельных компонентов. Бестрансформаторный двухтактный каскад мощного усиления, позволяющий обойтись без инверсного каскада, можно осуществить с транзисторами одной проводимости, если сигнал от внешнего источника или предыдущего каскада подать на вход одного плеча, называемого ведущим, а противоположный по фазе сигнал на вход второго плеча, называемого ведомым, подать с выхода ве-дущего плеча. Такие каскады называют двухтактными каскадами с последовательным управлением, в отличие от рассмотренных выше двухтактных каскадов с параллельным управлением, в которых сигнал от предыдущего каскада подают на оба плеча схемы.

По указанным причинам в интегральных схемах мощного усиления работающий в режиме В двухтактный выходной каскад обычно делают с последовательным управлением. Устройство и принцип действия одного из вариантов такой схемы поясняет рис. 3.2.9; ведущим плечом здесь является транзистор Т1 включенный с общим эмиттером и работающий в режиме В с малым током покоя через диод Д на нагрузку RH в течение первого полупериода сигнала, открывающего транзистор Т1 и диод. Полярность сигнала в этот полупериод на входе транзистора и на диоде показана на рис. знаками ( + ) и (—). Ведомым плечом схемы здесь является составной транзистор Т2— Т3, на вход которого поступает напряжение сигнала с диода Д, находящегося в выходной цепи ведущего плеча. Составной транзистор Т2—Т3 также работает в режиме В с малым током покоя и почти полностью закрывается во время первого полупериода напряжением сигнала, падающим на диоде. Во время второго полупериода указанная на рис. полярность сигнала меняется на обратную, транзистор Т1 и диод почти полностью закрываются, а изменившаяся полярность сигнала на диоде открывает составной транзистор, который и работает в течение второго полупериода на нагрузку Rн. Резистор R, показанный на рис. 3.2.9 пунктиром, не является необходимым; его включение позволяет улучшить свойства составного транзистора.

Для упрощения схемы рис. 3.2.9 на ней не показаны цепи смещения ведущего и ведомого плеча, а также компоненты стабилизации точек покоя плеч. Недостатком схем типа рис. 3.2.9 является сильная асимметрия ведущего и ведомого плеч, которая и позволяет осуществить работу каскада с последовательным управлением в режиме В; эта асимметрия и особенности интегральной технологии заставляют вводить в схему глубокую отрицательную обратную связь для получения допустимой величины нелинейности устройства (коэффициента гармоник) при полной выходной мощности.