4.5. Анализ принципиальных схем оконечных каскадов

4.5.1. Трансформаторные каскады мощного усиления

Каскады мощного усиления в большинстве случаев выполняются трансформаторными, так как при этом:

• для транзистора можно получить нагрузку переменному току, при которой он отдаёт максимальную мощность сигнала;

• постоянная составляющая выходного тока не протекает через сопротивление нагрузки усилителя, что уменьшает потери энергии питания и увеличивает кпд каскада.

Рассмотрим несколько схем каскадов мощного усиления, как однотактных, так и двухтактных, а также особенности их применения.

На рис.4 приведена принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления звуковых частот с транзистором, включённым с ОЭ и RC связью с предыдущим каскадом.

Рис.4 Принципиальная электрическая схема однотактного каскада с транзистором, включённым с ОЭ и RC связью.

Схема проста и экономична с точки зрения общего количества необходимых деталей. Используется она только в режиме А, следовательно с малым кпд (менее 50%). Усиление мощности в этой схеме наибольшее, но и коэффициент гармоник наибольший. В схеме используется эмиттерная стабилизация. Внутреннее сопротивление источника сигнала R_с, необходимое для построения сквозной динамической характеристики и расчёта коэффициента гармоник, здесь равно параллельному соединению R _вых выходного сопротивления транзистора T ₁, R_к сопротивления в цепи коллектора и сопротивлений делителя R₁ и R₂. Обычно R _вых  R _к, R ₁, R ₂, поэтому внутреннее сопротивление источника сигнала для данной схемы определяется по формуле

R _с 

где R _д – сопротивление делителя, образуемое параллельным соединением сопротивлений R₁ и R ₂ , равное R ₁ R ₂ / (R ₁ + R ₂).

На рис.5 представлена принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления звуковых частот с транзистором, включённым с ОБ и трансформаторной связью с предыдущим каскадом.

Рис.5 Принципиальная схема однотактного каскада с транзистором, включённым с ОБ и трансформаторной связью с предыдущим каскадом.

Схема даёт малые нелинейные искажения вследствие большой линейности характеристик транзистора при включении его с ОБ. Она позволяет применить транзистор малой мощности в предыдущем каскаде, обеспечивает очень малые частотные искажения предыдущего каскада на верхних частотах, схема устойчива к сохранению режима усиления после замены транзистора. Данная схема , как и предыдущая, применяется только в режиме А. Входным током транзистора Т₂ является ток эмиттера I _э, превосходящий по величине I _к. Поэтому для уменьшения тока сигнала, снимаемого с транзистора T₁ предыдущего каскада, он включается через понижающий трансформатор Тр₁ с очень малым коэффициентом трансформации. Предоконечный каскад здесь обычно рассчитывают как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для подачи во входную цепь оконечного каскада. В схеме используется эмиттерная стабилизация. Сопротивлением эмиттерной стабилизации R_э в схеме является активное сопротивление вторичной обмотки r₂ трансформатора Тр₁. Если оно оказывается недостаточным для заданной стабилизации режима, в цепь эмиттера можно включить дополнительное сопротивление R_э, зашунтировав его ёмкостью С_э, расчёт которой производится обычным образом.

Внутреннее сопротивление источника сигнала R _с равно:

R _с  (R _вых + r ₁) n ²,

где R _вых – выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада T₁ переменному току в рабочей точке;

r ₁ – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр₁;

n – коэффициент трансформации Тр₁.

На рис.6 изображена принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим инверсным каскадом с разделённой нагрузкой.

В сравнении с предыдущими схемами здесь нелинейные искажения меньше за счёт компенсации чётных гармонических составляющих в выходном сигнале, а также меньше размеры, вес и стоимость выходного трансформатора, вследствие отсутствия в нём постоянного подмагничивания.

Ввиду присутствия эмиттерной стабилизации и RC связи между каскадами данная схема работает только в режиме А. Выходная мощность из-за наличия двух транзисторов вдвое больше, чем у однотактного. Сопротивление R_э в общем, эмиттерном проводе двухтактного каскада обеспечивает эмиттерную стабилизацию режима, а также симметрирует транзисторы двухтактного каскада при различии их коэффициентов усиления. Однако наличие лишь общего сопротивления R_э для обоих транзисторов при различных их температурных коэффициентах иногда приводит к разбалансировке токов покоя плеч после прогрева или старения схемы

Рис.6 Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами с ОЭ и предыдущим инверсным каскадом с разделённой нагрузкой.

Для уменьшения такой разбалансировки в эмиттер каждого из транзисторов можно включить небольшие сопротивления R_э и R_э (на схеме показаны пунктиром). Раздельные делители смещения на каждый из транзисторов двухтактного каскада позволяют подобрать одинаковые токи покоя плеч при различных статических коэффициентах усиления тока транзисторов.

Симметричное относительно общего провода напряжение сигнала подаётся на вход двухтактного каскада с разделённой нагрузкой, имеющего хорошую частотную характеристику. Верхний и нижний выходы инверсного каскада представляют собой источники сигнала с различными внутренними сопротивлениями. Для верхнего плеча двухтактной схемы

R _с  ,

где R _д = R ₁ R ₂ / (R ₁ + R ₂).

У нижнего плеча двухтактной схемы R_с получается меньше вследствие шунтирующего действия эмиттерного выхода транзистора T₁. Для выравнивания сопротивлений источника сигнала для верхнего и нижнего плеч в схему инверсного каскада иногда включают сопротивление R (изображено пунктиром).

На рис.7 дана принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим трансформаторным инверсным каскадом.

Рис.7 Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим трансформаторным инверсным каскадом.

Схема даже при большой выходной мощности каскада мощного усиления благодаря трансформаторной связи между каскадами позволяет применить в предыдущем каскаде маломощный транзистор. Предоконечный инверсный каскад здесь рассчитывается как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для подачи во входную цепь двухтактного каскада. Для упрощения схемы оконечный каскад имеет один делитель напряжения смещения R₁ R₂. Вследствие того, что в схеме имеется одно сопротивление эмиттерной стабилизации R_э, в общем, эмиттерном проводе при различных параметрах транзисторов в плечах двухтактной схемы токи покоя плеч будут различными. Для выравнивания токов покоя плеч можно или подобрать транзисторы в плечах схемы, или, кроме общего сопротивления R_э, включить в один из эмиттерных проводов небольшое сопротивление R_э или R_э, выравнивающие токи покоя при различных параметрах транзисторов в плечах схемы (показаны пунктиром). Это, как и в предыдущем случае, уменьшает разбалансировку тока покоя при прогреве и старении элементов схемы. Благодаря наличию эмиттерной стабилизации (R _э) данный каскад работает только в режиме А. Однако, если исключить сопротивления R _э, R_э, R_э, то схема будет пригодной для работы в режиме В. В этом случае транзисторы в плечах двухтактного каскада берут с возможно близкими значениями . Начальное смещение на транзисторах в этом случае задаётся делителем R ₁ R ₂.

Сопротивление источника сигнала переменному току R_с для одного плеча двухтактной схемы равно при работе каскада в режиме В

R _с  (R _вых + r ₁) n ² _II,

где R _вых – выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада переменному току в рабочей точке;

r ₁ – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр ₁;

n _II = w _{2 II} / w ₁ – коэффициент трансформации по отношению к половинке вторичной обмотки (w ₁ и w _2II – число витков первичной и половинки вторичной обмотки).

При работе каскада в режиме А

где R _{вых 1} – выходное сопротивление транзистора T ₁ переменному току в рабочей точке;

R _{вх 2} – входное сопротивление транзистора двухтактного каскада переменному току в рабочей точке;

r _{2 II} – активное сопротивление половинки вторичной обмотки входного трансформатора Тр ₁.

При необходимости возможно более полного использования транзисторов и получения с них наибольшей мощности целесообразно применять схему, представленную на рис.8.

На ней транзисторы двухтактного каскада включены с ОБ, что позволяет выбрать напряжение источника питания наибольшей величины и при больших токах коллекторов получить сравнительно малый коэффициент гармоник К_г. Преимуществом этой схемы по сравнению со схемой рис.9 является то, что при замене транзисторов коэффициент усиления и характеристики каскада почти не изменяются, транзисторы в плечах двухтактного каскада не требуют тщательного подбора. Схема на рис.8 используется при работе в режиме В. Эта же схема может быть использована для работы в режиме А, если в провод средней точки вторичной обмотки трансформатора Тр ₁ включить сопротивление эмиттерной стабилизации R_э ( на рис.18 показано пунктиром). Для выравнивания токов покоя плеч или симметрирования плеч в провода эмиттеров включают небольшие выравнивающие сопротивления R _э и R_э (также показаны пунктиром). В сравнении со схемой рис.7 схема по рис.8 имеет меньший коэффициент усиления мощности и требует на входе большей мощности сигнала.

Рис.8 Схема двухтактного каскада с транзисторами, включёнными с ОБ и инверсной трансформаторной схемой предыдущего каскада.

Сопротивление источника сигнала R _с для одного плеча двухтактной схемы определяется по тем же формулам, что и для схемы рис.7.

На рис.9 приведена схема двухтактного трансформаторного каскада, с включением транзисторов с ОК и работающая в режиме В.

При таком включении транзисторов обеспечивается очень малый коэффициент гармоник, высокий КПД. Предоконечный каскад выполнен с инверсным трансформаторным выходом. Для сбалансирования токов покоя плеч оконечного каскада в цепь базы (или эмиттера) транзисторов Т₂ и Т₃ включают небольшое балансирующее сопротивление R_б или R_б (на схеме показаны пунктиром).

Сопротивление источника сигнала R_с для одного плеча двухтактной схемы определяется так же, как и для схем рис.7 и рис.8.

На рис.10 приведена видоизменённая схема двухтактного каскада мощного усиления, допускающая, в отличии от предыдущей, крепление транзисторов на общем радиаторе или шасси без изолирующих прокладок.

Рис.9 Схема двухтактного трансформаторного каскада с включением транзисторов с ОК в режиме В.

В этой схеме коллекторы транзисторов лучше охлаждаются, поэтому с транзисторов можно снять большую мощность, а надёжность схемы выше. Применяют схему в режиме А и В при различных способах включения транзисторов.

В самом начале рассмотрения трансформаторных схем оконечных каскадов утверждалось, что использование трансформаторов уменьшает потери энергии питания и увеличивает кпд каскада за счёт исключения протекания постоянной составляющей через сопротивление нагрузки. Однако от этой неприятности можно избавиться применением специальных двухтактных бестрансформаторных схем. В данном обзоре эти схемы по ряду причин не рассматриваются. Появление в последние годы комплиментарных кремниевых транзисторов с различным типом проводимости, безусловно, повышает интерес к бестрансформаторным схемам мощного усиления. Так как исключение трансформаторов из состава схем устраняет вносимые ими частотные и фазовые искажения, при этом уменьшается вес, габариты и стоимость усилителей, а так же избавляются от искажений из-за отсечки тока в режиме В.

Рис.10 Видоизменённая схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОК.