Выходные каскады усилителей

Выходные каскады усилителей

В выходных каскадах транзисторы работают в режимах, близких к предельным эксплуатационным режимам, что является отличительной особенностью выходных каскадов. В зависимости от типа усилителя (переменного или постоянного тока) нагрузка подключается к выходу усилителя или через разделительный конденсатор (трансформатор), или непосредственно.

Рассмотрим работу предварительного каскада (рис. 2.19,а) в качестве выходного. Анализ проведем в области средних частот, где можно пренебречь сопротивлениями разделительных конденсаторов и не учитывать частотные свойства транзистора. На графиках семейства выходных ВАХ транзистора (рис. 2.19,б) построим нагрузочную прямую по постоянному току по двум точкам с координатами: и. На этой прямой в рабочем секторе семейства ВАХ выберем рабочую точку A () и проведем через нее нагрузочную прямую по переменному току под углом к оси напряжений. При этом положение рабочей точки должно быть таким, чтобы отрезки нагрузочной прямой от рабочей точки A до границ рабочего сектора были одинаковыми, поскольку при таком положении реализуется максимальная выходная мощность .

Так как максимальная амплитуда выходного напряжения меньше, а максимальная амплитуда выходного тока меньше, максимальную выходную мощность можно оценить из следующего соотношения:

.

Учитывая, что от источника питания потребляется мощность, максимальный коэффициент полезного действия (КПД) каскада.

получается небольшим (в каскаде с трансформаторной связью КПД выше:). Поскольку рассеиваемая транзистором мощность должна быть меньше допустимой, максимальная выходная мощность, которую может обеспечить транзистор, оказывается меньше половины допустимой, т. е.. Как видно из приведенных соотношений, эксплуатационные свойства такого типа выходных каскадов низкие, поэтому они находят ограниченное применение только в маломощных усилителях при большом сопротивлении нагрузки.

Основной причиной низких эксплуатационных свойств рассмотренного типа выходного каскада является то, что он работает в режиме A, когда ток через транзистор протекает в течение всего периода действия входного сигнала, в связи с чем такой каскад потребляет мощность от источника питания непрерывно вне зависимости от величины входного сигнала. На рис. 2.20,а приведена схема двухтактного выходного каскада (с непосредственной связью с нагрузкой), работающего в режиме B, у которого токи через транзисторы протекают только при наличии входного сигнала определенной полярности (положение рабочей точки транзистора в этом режиме отмечено на рис. 2.20,б и 1.21,г буквой B). При положительном напряжении на входе () открывается транзистор (закрыт), и через него от источника питания в нагрузку течет ток, сохраняющий форму входного сигнала. При отрицательной полярности входного сигнала (), наоборот, работает транзистор, а закрыт, и ток в нагрузку течет от источника. Хотя токи через транзисторы протекают только в течение половины периода действия входного сигнала, ток в нагрузке, благодаря их поочередной работе, протекает в течение всего периода, что исключает большие искажения выходного сигнала (транзисторы и, составляющие комплементарную, т. е. взаимно дополняющую пару, должны быть по возможности идентичными).

Чтобы определить параметры каскада, через рабочую точку транзистора () и точку с координатами проведем нагрузочную прямую (здесь нагрузочные прямые по постоянному и переменному току совпадают). Записав выражение выходной мощности в виде.

и приняв во внимание, что максимальная амплитуда выходного напряжения может достигать значения, близкого к (), найдем максимальную выходную мощность:

. (2.8).

Учитывая, что в режиме B ток через транзистор протекает только в течение половины периода действия входного гармонического сигнала, среднее значение тока транзистора за весь период, а также потребляемая каскадом мощность описываются соотношениями.

.

откуда следует, что каскад, работающий в режиме B, потребляет от источников питания мощность только при наличии входного сигнала, и эта мощность достигает своего максимального значения при максимальном выходном сигнале ():

.

Таким образом, в режиме B максимальный КПД двухтактного каскада.

оказывается заметно больше, чем у двухтактного каскада в режиме A (). Рассеиваемая двумя транзисторами в виде тепла мощность.

достигает своего максимального (неблагополучного для транзисторов) значения при :

. (2.9).

Поскольку максимальная рассеиваемая одним транзистором мощность не должна превышать допустимую, т. е., а, как следует из (2.8) и (2.9),, максимальная выходная мощность каскада, работающего в режиме B, определится из соотношения.

выходной каскад транзистор композитный.

(в общем случае необходимо учитывать максимальную мгновенную мощность, которая может привести к недопустимому перегреву транзистора, поэтому на практике принимается, но это все равно лучше, чем в режиме A, когда).

Как видно из входной характеристики транзистора (см. рис. 1.21,г), положение рабочей точки в режиме B таково, что транзистор не управляется при малых входных напряжениях, поэтому форма выходного сигнала искажается (характер этих искажений показан на рис. 2.20,б). Чтобы исключить нелинейные искажения при малых входных сигналах, на каждый транзистор выходного каскада подается напряжение смещения, в результате чего транзисторы переводятся в режим AB (точка AB на рис. 1.21,г). В режиме AB сохраняются все преимущества режима B.

Напряжение смещения, поступающее на базы транзисторов выходного каскада (и на рис. 2.21,а), образуется на диоде (транзисторе в диодном включении) и эмиттерном переходе транзистора при протекании через них тока от генератора, который также задает эмиттерный ток транзистора, включенного для сигнала по схеме с общим коллектором. Это напряжение смещения, равное примерно, можно организовать и на двух последовательно включенных диодах, однако дифференциальное сопротивление двух диодов больше сопротивления связки диод-транзистор, которое равно (- параметры транзистора). Малое дифференциальное сопротивление элементов смещения, наряду с большим дифференциальным сопротивлением генератора тока, позволяет без потерь передать сигнал с эмиттера транзистора (от базы транзистора) на базу транзистора, что требуется из условия симметрии плеч двухтактного выходного каскада, т. е. идентичности условий прохождения положительной и отрицательной полуволн сигнала.

При значительном уменьшении сопротивления нагрузки (например, при коротком замыкании) эмиттерные токи транзисторов выходного каскада резко возрастают, что может привести к тепловому разрушению транзисторов. Чтобы это исключить, в выходные каскады в обязательном порядке встраивается схема защиты (на рис. 2.21). При нормальной работе каскада напряжения на резисторах недостаточны для открывания транзисторов, поскольку малы сопротивления. При коротком замыкании выхода эмиттерный ток транзистора (или, в зависимости от полярности входного сигнала,) резко увеличивается, увеличивается и падение напряжения на резисторе, открывается транзистор, в результате чего шунтируется база транзистора, что приводит к фиксации на определенном (безопасном) уровне его базового и эмиттерного тока. Если p-n-p-транзистор изготовлен на одной полупроводниковой подложке с другими n-p-n-транзисторами микросхемы, то его коэффициент усиления базового тока небольшой (несколько единиц), поэтому вместо мощного транзистора типа p-n-p часто используется композитный (составной) транзистор, состоящий из маломощного p-n-p-транзистора и мощного n-p-n-транзистора (рис. 2.21,а). Коэффициент усиления базового тока композитного транзистора равен произведению коэффициентов усиления составляющих его транзисторов, т. е.. С целью повышения эффективности защиты транзистора коллектор транзистора иногда подсоединяют не к базе выходного транзистора, а к одному из узлов цепи предварительного усиления сигнала (непосредственно или через дополнительный транзистор).

На рис. 2.21,б приведена схема двухтактного выходного каскада класса AB, у которого отсутствуют специальные элементы смещения, а их функции выполняют эмиттерные p-n-переходы эмиттерных повторителей, предназначенных для усиления тока сигнала с предыдущего каскада. Назначение остальных элементов этой схемы такое же, как и соответствующих элементов схемы рис. 2.21,а.

Кроме рассмотренных схем существуют также схемы выходных каскадов с иным включением выходных транзисторов (с общим эмиттером), а также с иной (индуктивной, емкостной) связью с нагрузкой.