Бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах.

Непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь усилительных элементов позволяет исключить трансформатор. Трансформаторы создают частотные и нелинейные искажения. Трансформаторные каскады не способны пропускать широкую полосу частот, а за счет больших фазовых сдвигов в таких каскадах или становится невозможным применение глубокой обратной связи. Трансформаторы громоздки, обладают большей массой и, в отличие от транзисторов, диодов и резисторов, не могут являться элементами интегральных схем.

Транзисторные бестрансформаторные усилители получили большое распространение из-за своих весьма высоких качественных показате­лей. Они являются основным звеном современной аппарату­ры высококачественного усиления звуковых частот и наиболее пер­спективны, так как могут быть реализованы в интегральном исполне­нии.

 

Вопрос.1. Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности

 

Бестрансформаторный усилитель представляет собой двухтактный каскад с последовательным питанием и параллельным возбуждением однофазным несимметричным напряжением, рис.1.1.

Рисунок 1.1- Бестрансформаторный усилитель мощности.

 

По постоянному току транзисторы V 2 и V 3 включены последовательно, а по переменному - параллельно. Поэтому выходное сопротивление каскада уменьшается, что сни­жает оптимальное сопротивление нагрузки, приближая его к сопро­тивлению электродинамических громкоговорителей (4 или 8 Ом).

Внешняя нагрузка  подключается к общей точке эмиттеров через разделительный конденсатор С1, сопротивление которого на низшей рабочей частоте должно быть невелико по сравнению с . Поэтому эта емкость С1 выбирается с большим номиналом. 

Использование транзисторов с одинаковыми параметрами, но разной структурой позволяет объединить входные цепи плеч и исклю­чить фазоинверсный каскад, так как сигнал, открывающий транзис­тор типа р-n-р, будет закрывать транзистор n-р-n. Плечи работают в противофазе и поочередно. Отрицательная полярность сигнала открывает V 2 и закрывает V 3. Выходной ток, протекая через С1, заряжает ее до 0,5Е. При положительной полярности транзистор V 2 закрывается и открывается V 3. Источником питания в этот период является заряд емкости С1. Следовательно, такой каскад может возбуждаться однофазным напряжением от обычно­го резисторного каскада с непосредственной связью. Бестрансформаторные каскады могут работать как в режиме А, так и в режиме В, но более часто используется экономичный режим В. Транзисторы в режиме В могут работать и без смеще­ния, однако в этом случае появляются искажения типа "ступеньки", характерные для режима В. Для обеспечения начального смещения  и  выходных тран­зисторов V 2 и V 3 используют терморезистор  или диод, включен­ный в коллекторную цепь транзистора V 1 последовательно с резисто­ром нагрузки . Ток покоя транзистора V 1 предоконечного каскада, проходя через , создает на нем небольшое падение напряжения, которое равно суммарному напряжению смещения . Так как транзисторы оконечного каскада включаются последовательно по постоянному току, кроме того, их коллекторные напряжения должны быть оди­наковыми, то общая точка эмиттеров транзисторов V 2 и V 3 будет иметь потенциал относительно общего провода, равный 0,5 Е₀.  Терморезистор  осуществляет стабилизацию тока покоя оконечных транзисторов, так как его сопротивление, а, следовательно, и падение напряжения смещения на нем уменьшаются при повышении температуры. Терморезистор или диод устанавливается на радиаторе одного из оконечных транзисторов в непосредственной близости от него, так что их температуры будут примерно одинако­выми. В первом каскаде используется эмиттерная стабилизация точ­ки покоя транзистора V 1. Для стабилизации потенциала общей точки эмиттеров (0,5 Е_о) используется отрицательная обратная связь (ООС), охватывающая оба каскада. Ее элементами являются резисторы R 1  и R 2, одновременно образующие делитель смещения в цепи базы транзистора V 1. OOC не только стабилизирует напряжение 0,5 Е₀, но и улучшает качественные показатели усилителя, так как она введена по постоянному и переменному токам.

Однако эта схема бестрансформаторного усилителя обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что обычный резисторный каскад не может обеспечить необходимой амплитуды возбужде­ния для полного использования выходных транзисторов, а это значи­тельно снижает КПД усилителя. Так как выходные транзисторы оказываются включенными с общим коллектором (ОК), то напряжение возбуждения, подводимое к их входной цепи должно превышать выходное.

 

Вопрос 2. Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной симметрией

 

Максимальная амплитуда напряжения сигнала на выходе оконечного каскада U _выхт близка к 0,5 Е, а входное напряжение должно быть равно

U _вхт = U _выхт + U _б >0,5Е.

Такое напряжение резисторный каскад при источнике питания с напряжением E отдать не в состоянии. Этот недостаток устраняют введением положительной обратной связи (ПОС), для чего верхний вывод резистора  присоединяют через емкость  к сопротивлению нагрузки , рис.2.1. При этом все выходное напряжение U _выхт вводится во входную цепь оконечного каскада. Каждое плечо оконечного каскада является эмиттерным повторителем, поэтому выходное напряжение совпадает по фазе с напряжением возбуждения и увеличивает его примерно вдвое. Наличие положительной обратной связи позволяет уменьшить ток сигнала через резистор  и снизить необходимое напряжение сигнала на нем. При этом сигнал на входе оконечного каскада получается достаточным для полного использования выходных транзисторов по напряжению, и КПД каскада оказывается близким к теоретическому пределу.

 

Рисунок 2.1 - Бестрансформаторный усилитель с вольтдобавкой.

 

Кроме конденсатора  в этой схеме необходим еще и резистор , который по переменному току присоединен (через , C 1 и источник питания) параллельно внешней нагрузке R _н, поэтому сопротивление  не должно быть слишком малой величиной, чтобы не шунтировать R _н. Одновременно приходится считаться с тем, что на  теряется часть напряжения питания первого транзистора и, с этой точки зрения, необходимо, чтобы << . Рассмотренный бестрансформаторный усилитель мощности с положительной обратной связью называют усилителем с вольтдобавкой или с дополнительной симметрией.

 

Вопрос 3. Бестрансформаторный усилитель мощности на

Составных транзисторах

 

При большой выходной мощности подобрать близкие по параметрам и характеристикам пары транзисторов разных структур р- n -р и n -р- n сложнее. Поэтому оконечный каскад строится на составных транзисторах. Принципиальная схема бестрансформаторного усилителя мощности, имеющего двухтактный каскад с составными транзисторами изображена на рис.3.1.

 

Рисунок 3.1. - Бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах

 

Оконечный каскад содержит четыре транзистора, причем каждое плечо его представляет составной транзистор. Транзисторы V 3 и V 5 образуют двойной эмиттерный повторитель, а транзисторы V 4 и V 6 составляют усилитель со 100% ООС, который обладает примерно теми же параметрами и свойствами, что и двойной эмиттерный повторитель: высокое входное и малое выходное сопротивления, оба плеча схемы выходного каскада не усиливают входное напряжение (К <1) и не меняют его полярность. Стабилизация положения точек покоя транзисторов оконечного каскада осуществляется диодом V 2, на котором создается падение суммарного напряжения смещения. Резисторы  и R_c являются вспомогательными элементами, которые улучшают ста­бильность режима, способствуют снижению частотных искажений и несколько выравнивают параметры плеч двухтактного каскада, что приводит к уменьшению нелинейных искажений, обусловленных асим­метрией плеч. Сопротивление R_c обычно меньше 1 Ом, так как на них теряется часть выходной мощности;  в 5¸10 раз больше входного сопротивления мощного транзистора. Введение ПОС по цепи увеличивает нап­ряжение возбуждения и тем самым повышает КПД усилителя. Для полу­чения высоких качественных показателей в усилителе вводится глубокая ООС по переменному току через резистор R_oc, охваты­вающая весь усилитель. Стабилизация напряжения 0,5 Е₀ выходных транзисторов аналогична описанной выше и осуществляется гальванической ООС по постоянному току через резисторы  и . Конденсатор служит для устранения ООС по переменному току. Усилитель с бестрансформаторным выходом обладает весьма высокими качественными показателями. Частотные искажения в области низких частот в данной схеме незна­чительны благодаря непосредственной связи между каскадами. В об­ласти верхних частот искажения определяются в основном мощными транзисторами оконечного каскада.

Достаточно глубокая общая ООС уменьшает нелинейные искажения и улучшает остальные качественные показатели усилителя в целом. Выходное сопротивление такого усилителя становится ничтожно малым. Это весьма благоприятно сказывается на работе акустической системы радиовещательной аппаратуры.