Аналіз схем вихідних каскадів

 

Аналіз підсилювача доцільно почати з вихідного (кінцевого) його каскаду. У загальному випадку в кінцевому каскаді підсилювача потужності використовуються два транзистори різної або однакової структури (провідності). Якщо застосовано транзистори різної провідності, то вони називаються комплементарними, або транзисторами з додатковою симетрією [6].

На рис. 7.1,а зображено вихідний каскад на комплементарних транзисторах з ємнісним зв’язком, в якому використовується одне джерело живлення. Колекторні та емітерні ланки VТ1 і VТ2 з’єднані послідовно з джерелом живлення Бж для утворення замкнутої ділянки з постійним струмом. Навантаження каскаду Rн ввімкнено між середньою точкою схеми М, через розділюючий конденсатор С, і корпусом. Транзистори керуються базовим струмом, який у свою чергу, є функцією змінної напруги між їх базами та емітерами.

Для забезпечення двохтактного принципу дії схеми необхідно так вибрати фази керуючих сигналів, щоб транзистори VТ1 і VТ2 працювали по черзі. При цьому обов’язково слід враховувати провідності обох транзисторів.

На рис. 7.1 керуючі напруги на базах транзисторів зображені у виді одного синусоїдального коливання. Затемнений напівперіод означає, що в цей момент транзистор відкритий, а на протязі світлого напівперіоду — закритий.

Отже, для нормальної роботи схеми на рис. 7.1,а. необхідно на бази VТ1 і VТ2 подати синфазні напруги. Тоді каскад працюватиме наступним чином. В момент, коли VТ1 відкритий, струм від джерела живлення протікає через Rн і конденсатор С. В цей момент конденсатор заряджається. При вимкненні VТ1 і ввімкненні VТ2 струм через навантаження протікає за рахунок енергії, що накопичується у розділюючому конденсаторі С, який у цей час виконує роль джерела живлення.

Схема на рис. 7.1, б має два різнополярні джерела живлення, які по черзі підтримують струм у ланці навантаження в момент роботи відповідного транзистора.

У схемі на рис. 7.1, в використовуються транзистори однакової провідності з ємнісним зв’язком навантаження і підсилювача. Оскільки транзистори є однаковими і відкриваються сигналом однієї полярності, то для нормальної роботи каскаду необхідно, щоб збуджуючі сигнали були протифазними. Дія цієї схеми аналогічна до дії схеми на рис. 7.1, а.

На рис. 7.1, г зображена схема з використанням транзисторів однакової полярності і гальванічного зв’язку. Для роботи такої схеми також необхідно, щоб збуджуючі сигнали були протифазними.

Використання у безтрансформаторному вихідному каскаді транзисторів з однаковими, або різними провідностями не має принципових відмінностей. Відмінності існують у типах зв’язку каскадів.

При ємнісному зв’язку кінцевого каскаду з навантаженням (рис. 7.1 а, в) необхідне потужне джерело живлення Бж. Для зниження втрат корисної потужності на розділюючому конденсаторі С, його ємність повинна вибиратись такою, щоб вносимий конденсатором опір на нижній граничній частоті ωн був набагато менший за опір навантаження. Значення цього опору знаходиться з виразу:

(7.1)

Крім того, у кінцевих каскадах з ємнісним зв’язком застабілізувати напругу в точці М набагато складніше, ніж у каскадах з безпосереднім зв’язком. До того ж, розділюючий конденсатор вносить значні частотні спотворення, а електролітичні конденсатори в блоці живлення повинні розраховуватись на подвоєну робочу напругу. Схеми з ємнісними зв’язками вимагають використання додаткових пристроїв для обертання фази сигналу.

Набагато ефективнішими є схеми з безпосередніми зв’язками (рис. 7.1, б,г). Якщо всі зв’язки у підсилювачі потужності є гальванічними, то нижня гранична частота визначається тільки ємностями конденсаторів на вході підсилювача і у фільтрі живлення. Частотні спотворення таких схем є мінімальними.

Для забезпечення симетрії плечей кінцевого каскаду найкраще використовувати комплементарні транзистори (рис. 7.1, а,б), оскільки вони будуть ввімкнені за однаковими схемами із спільним колектором. При проектуванні каскадів з дуже високою вихідною потужністю (вище 100 Вт) не завжди є можливість підібрати комплементарну пару транзисторів. У цьому випадку використовуються транзистори структури n-p-n, один з яких працює за схемою із спільним колектором, а другий — із спільним емітером. Але оскільки струми колектора і емітера реальних транзисторів не є однаковими, то це вносить додаткові спотворення у відтворюваний сигнал.

На рис. 7.1,д зображено схему двохтактного вихідного каскаду на транзисторах з загальним емітером. Первинні обмотки трансформатора Т1 утворюють обмотку з середньою точкою, витки якої оббігають осердя в одному напрямку. Внаслідок того, що струми первинних обиоток Т1 направлені на зустріч і є однаковими, створювані ними магнітні потоки також направлені на зустріч і компенсуються, внаслідок чого осердя Т1 звільняється від постійного підмагнічування.

а	б
в	г
г	д

а — комплементарний каскад з синфазним збудженням і ємнісним зв’язком, б — комплементарний каскад з синфазним збудженням і гальванічним зв’язком, в — каскад з протифазним збудженням і ємнісним зв’язком, г — каскад на транзисторах однакової провідності з протифазним збудженням і гальванічним зв’язком, д — каскад на транзисторах із загальним емітером і попереднім резисторним інверсним каскадом, е — каскад на транзисторах із загальною базою і попереднім трансформаторним інверсним каскадом.

 

Рисунок 7.1 - Кінцеві каскади транзисторних підсилювачів потужності

Також на зустріч одні одним направлені у первинних обмотках струми завад і пульсацій від джерела живлення. Створювані цими струмами магнітні потоки компенсуються і не наводять ЕРС у вторинній обмотці Т1.

Напруги сигналів, які підводяться до баз транзисторів VТ1 і VТ2 повинні мати протилежну полярність. Внаслідок цього транзистори VТ1 і VТ2 почергово відкриваються і їхні струми, протікаючи через первинні обмотки трансформатора в однаковому напрямку, створюють в його осерді магнітні потоки. Ці потоки, сумуючись, наводять ЕРС сигналу на вторинних обмотках трансформатора.

Протифазні сигнали на бази VТ1 і VТ2 в схемі на рис. 7.1,д можна подавати від резистивного фазоінверсного каскаду через розділюючі конденсатори С_р1, С_р2. Це дає змогу відмовитись від використання перехідного трансформатора між каскадами, однак вимагає застосувати додаткові елементи зміщення вихідних транзисторів. ККД резистивного каскаду також є досить низьким.

На рис. 7.1, е зображено схему двохтактного трансформаторного каскаду на транзисторах із спільною базою.

Особливостями цього каскаду є низький коефіцієнт гармонік, високий ККД та необхідність використання попереднього фазоінверсного каскаду на трансформаторі. Наявність вхідного трансформатора дає змогу спростити схему до мінімуму елементів. Крім того, таке включення транзисторів передбачає їх використання без спеціального підбору за коефіцієнтом передачі струму. На відміну від усіх наведених схем, каскад на рис. 7.1,е має найвищий ККД внаслідок можливості оптимального узгодження між каскадами за допомогою трансформатора. Однак, перехідний фазоінвертуючий трансформатор у цьому випадку має дуже великі габарити.