Главная > Схемотехника > Электроника
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 4.13. БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ МОЩНЫЕ ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотнозависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Рис. 4.48. Схемы двухтактного усилителя мощности с дополнительной симметрией (а) и двухтактного усилителя с дополнительной симметрией во время различных полупериодов (б, в).

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме В или АВ и включенных по схемам с ОК или ОЭ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, лиоо транзисторов с разным типом электропроводности. Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности (), называются каскадами с дополнительной симметрией.

Одна из возможных схем усилительного каскада с дополнительной симметрией показана на рис. 4.48, а. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении нагрузки практически отсутствует, так как небольшие начальные токи, протекающие через транзисторы , взаимно вычитаются. Эти токи обусловлены смещением, созданным падением напряжения на сопротивлении . Если транзисторы идентичны по параметрам, то потенциалы точек А и Б относительно эмиттеров соответствующих транзисторов (точка В) равны и в этом случае через транзисторы протекает одинаковый ток, а в сопротивлении нагрузки он отсутствует. Если транзисторы имеют различные параметры, например ток через транзистор протекает при напряжении смещения , а через транзистор при , то потенциалы точек А и Б относительно точки В должны быть равны соответственно . Общее падение напряжения на сопротивлении равно 0,8 В.

Для определения напряжения смещения необходимо знать характеристики транзисторов и предварительно задаться значением тока транзисторов . Этому току коллектора соответствуют определенный ток базы и напряжение . Ток делителя напряжений выбирают в 5 — 10 раз больше базовых токов транзисторов .

Это обеспечивает малое изменение потенциалов баз при температурных изменениях их гоков. По выбранному гоку делителя определяют сопротивления

(4.262)

Так как мало (несколько сотен Ом), то можно считать, что базы транзисторов по переменному току соединены непосредственно между собой. Для уменьшения сопротивления по переменному току оно можег быть шунтировано конденсатором. Однако чаще всего вместо него включают полупроводниковый диод или несколько последовательно соединенных диодов, обеспечивающих требуемое падение напряжения при заданном токе делителя и в то же время имеющих малое дифференциальное сопротивление. Количество диодов определяют с помощью их вольт-амперных характеристик. Так, если при токе делителя падение напряжения на диоде равно 0,26 В, то для получения смещения 0,8 В необходимо поставить три диода. Замена диодами повышает температурную стабильность каскада. Это связано с тем, что при изменении температуры потенциал транзисторов, при котором обеспечивается требуемый ток базы, уменьшается приблизительно на . Если при этом смещение остается постоянным, то ток покоя увеличивается. Так как с изменением температуры падение напряжения на диодах изменяется так же, как потенциал , то температурные изменения тока существенно уменьшаются.

При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК (рис. 4.48, б, в), т. е. как обычный эмиттерный повторитель. Следовательно, выходной сигнал на сопротивлении практически равен входному. Во время другого полупериода открытый и закрытый транзисторы меняются местами. Анализ и расчет каждого плеча практически не отличаются от анализа и расчета эмиттерного повторителя. Поэтому выражения, полученные для каскада с ОК, справедливы для каждого плеча во время его работы. Для получения одинакового входного сопротивления в разные полупериоды и одинакового усиления по мощности транзисторы выходного каскада рекомендуется подбирать идентичными.

Для увеличения коэффициента усиления по мощности применяют каскадное включение транзисторов. На рис. 4.49, а показано плечо двухтактного каскада, собранного на двух транзисторах с одинаковым типом электропроводности. Транзисторы включены по схеме с ОК.

Рис. 4.49. Плечи двухтактного выходного каскада: а - эмимерный повтортель на составном транзисторе, б — эквивалентая схема змиттерного повторителя, в - эмитерный повторитель на тразисторах с электропроводностью разного типа, г — его эквивалентная схема

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению несколько меньше единицы. Полный расчет плеча можно выполнить составив его полную эквивалентную схему.

Для анализа воспользуемся упрощенной эквивалентной схемой (рис. 4.49, б), причем при предварительных расчетах обычно можно пренебрегать сопротивлением , считая, что выполняется условие . Это допущение корректно только при больших токах, но введение его улучшает наглядность получаемых результатов. На основе эквивалентной схемы и выражений, полученных для каскада с ОК, запишем следующие очевидные уравнения:

(4.263)

Так как

(4.265)

то

(4.266)

Определим коэффициенты усиления каскада по напряжению и току:

(4.268)

Из (4.269) видно, что коэффициент усиления по току в первом приближении равен произведению коэффициентов передачи базового тока транзисторов и может достигать значений от нескольких сотен до десятков тысяч.

При , согласно (4.268), коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Так как выходной транзистор плеча обычно работает с большими токами, то это условие, как правило, выполняется.

При работе с малыми выходными токами коэффициент усиления также близок к единице, что можно показать при более полном анализе с учетом параметров всех элементов, входящих в эквивалентную схему. Причем, если входное сопротивление получается достаточно большим, следует учитывать и дифференциальное сопротивление запертого коллекторного перехода первого транзистора . Оно, как было показано в § 4.7, ограничивает реально достижимое входное сопротивление значением .

На рис. 4.49, в показан второй тип эмиттерного повторителя, часто применяемого в плече выходного каскада. В нем транзистор включен по схеме с ОК, а транзистор схеме с ОЭ. Активные приборы, соединенные в подобные схемы, рассматривают как один транзистор с соответствующими эквивалентными параметрами и называют его композитивным транзистором с соответствующей электропроводностью (в рассматриваемом случае композитивный ).

Если ввести допущение, как и в предыдущем случае,

(4.270)

то для эквивалентной схемы (рис. 4.49, г) можно записать приближенные соотношения:

(4.273)

Коэффициенты усиления но напряжению

(4.275)

по току

Таким образом, и в этом случае, несмотря на то, что транзистор включен по схеме с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению близок к единице, а коэффициент усиления по току (в первом приближении) равен произведению коэффициентов передачи базовых токов транзисторов. Как видно из упрощенных выражений, соответствующие коэффициенты усиления плеча несколько больше, чем у плеча (рис. 4.49, а). Композитивные транзисторы применяют тогда, когда не удается подобрать выходной транзистор требуемой мощности и определенной электропроводности, а имеются подходящие транзисторы с электропроводностью другого типа. Составной и композитивный транзисторы дают разные коэффициенты усиления. Но разница между ними небольшая. Поэтому приведенные схемы часто используют в составе одного каскада.

Некоторые варианты построения мощных бестрансформаторных выходных каскадов показаны на рис. 4.50.

В схемах рис. 4.50, а, б применен один источник питания благодаря тому, что конденсатор, включенный последовательно с нагрузкой после его зарядки до напряжения Е, равного напряжению на эмиттерах транзисторов , в статическом режиме работает в один из полупериодов как источник питания. Подобная замена возможна во всех бестрансформаторных каскадах. Емкость конденсатора С приходится брать большой ввиду малого значения сопротивления нагрузки . Так. если допустимо, чтобы на частоте коэффициент передачи уменьшался до 0,7 своего значения на средних частотах и справедливо уравнение , где , то при сон емкость конденсатора . В более сложных случаях значение С определяют исходя из значения коэффициента частотных искажений , заданного для данной цепи (см. § 5.1).

Выходные каскады (рис. 4.50, в, г) обычно устанавливают на выходе операционных усилителей и охватывают глубокой ОС.

Рис. 4.50. Схемы двухтактных бестрансформаторных усилителей мощности

Поэтому в них иногда отсутствует напряжение смещения у первой пары транзисторов . Возникающие нелинейные искажения уменьшаются за счет цепи отрицательной ОС. В высококачественных усилителях приходится вводить напряжение смещения аналогично тому, как это было сделано на рис. 4.48, а (рис. 4.50, б). При этом уменьшаются искажения, наблюдаемые при малых значениях входного сигнала, при которых проявляется нелинейность входных характеристик транзисторов (искажения типа «ступеньки»). Причину их появлений поясняет рис. 4.51. Из него видно, что входное напряжение при отсутствии смещения создает импульсы гока баз , которые при суммировании дают ток, существенно отличающийся от синусоидального. При подаче на базы транзисторов напряжения смещения импульсы тока также отличаются от половинок синусоиды. Однако при их суммировании выходной эквивалентный ток транзисторов на сопротивлении нагрузки и выходное напряжение имеют практически синусоидальную форму.

Значение напряжения смещения (напряжение между базами транзисторов : рис. 4.50, б) обычно определяют как напряжение, большее того, которое имеется в точке пересечения с осью абсцисс касательной, проведенной к прямолинейному участку входной вольт-амперной характеристики транзистора на рис. 4.52).

Рис. 4.51. Диаграммы токов транзисторов плеч выходного каскада, поясняющие появление нелинейных искажений

Рис. 4.52. Устранение искажений во входной цепи за счет подачи на транзисторы напряжений смещения

При этом их приходится корректировать так, чтобы токи покоя эмиттеров транзисторов были одинаковы (при идентичности плеч остальной части).

Так как бестрансформаторные каскады обычно работают с большими токами, то в схемах следует предусматривать улучшенную термостабилизацию. Ее обеспечивают или за счет введения достаточно глубокой отрицательной ОС по постоянному току, или с помощью термозависимых сопротивлений. При этом следует обратить внимание на правильный выбор сопротивлений в базовых цепях мощных выходных транзисторов.

С точки зрения увеличения коэффициента усиления плеча сопротивление резистора (см. рис. 4.49, а, в) желательно брать большим. Однако если рассмотреть эквивалентную схему каскада по постоянному току, то увидим, что при прохождении тока от генератора тока на этом сопротивлении падает напряжение (см., например, рис. 4.45 и пояснения к нему. На нем последовательно с надо включить ).

Пока сопротивление мало, падение напряжения на нем меньше контактной разности потенциалов эмиттерного перехода (порогового напряжения) и в цепи коллектора протекает ток . При увеличении падение напряжения на нем достигает порогового значения, эмиттерный переход открывается и через транзистор начинает протекать больший ток, который достигнет максимального значения при . Мощность, рассеиваемая на транзисторе при отсутствии сигнала, возрастает приблизительно в раз, что существенно ухудшает температурную стабильность каскада. Поэтому сопротивления в базовых цепях мощных транзисторов приходится брать достаточно малыми (ориентировочно несколько десятков — несколько сотен Ом), чтобы при максимальной температуре транзистора выполнялось неравенство , где — напряжение, при котором появляется входной ток у транзистора.

Значение коэффициента нестабильности выбирают в зависимости от диапазона изменения температуры окружающей среды от 2 до 10. При проектировании наибольшую трудность вызывает подбор оконечных мощных транзисторов. Так как они часто являются наиболее узкополосными компонентами усилителя, то их предельная частота должна быть не менее чем в 2—3 раза больше верхней рабочей частоты усилителя :

(4.277)

При меньшем запасе возникают большие фазовые искажения, ухудшается КПД в диапазоне высоких частот и энергетические характеристики каскада. Предельные частоты транзисторов предусилителя рекомендуется брать большими ,

Выходные транзисторы следует выбирать так, чтобы удовлетворялись требования, аналогичные рассмотренным в § 4.12. С учетом 10—20% запаса из можно записать

(4.278)

Для бестрансформаторного каскада также полностью справедливы энергетические уравнения, полученные в § 4.12.

Ввиду невозможности согласования выходного сопротивления каскада с нагрузкой в общем случае полезная мощность, отдаваемая в нее, зависит от сопротивления (рис. 4.53). При значении нагрузки отдаваемая мощность максимальна.

Рис. 4.53. Нагрузочная характеристика бестрансформаторного усилителя мощности

Рис. 4.54. Схемы двухтактных бестрансформаторных выходных каскадов: а со сниженными нелинейными искажениями; б - с защиюй от короткого замыкания на выходе

Дальнейшее увеличение приводит к тому, что полезная мощность уменьшается по гиперболическому закону. Поэтому расчет отдаваемой мощности проводится при конкретном значении нагрузки. Изменением ее можно как увеличить, так и уменьшить выходную мощность каскада.

В мощных бестрансформаторных каскадах, в которых транзисторы включены с ОК, может произойти короткое замыкание выходных зажимов. Как правило, оно вызывает выход транзисторов из строя из-за превышения коллекторным током допустимого значения. Для защиты от коротких замыканий в эмиттерные цепи мощных выходных транзисторов включают небольшие сопротивления , ограничивающие ток (рис. 4.54, а), или вводят дополнительные транзисторы, которые открываются только при больших токах нагрузки и, шунтируя входную цепь, ограничивают значение выходного тока на безопасном уровне.

Одна из возможных схем защиты с помощью дополнительных транзисторов показана на рис. 4.54, б.

При коротком замыкании выходного зажима ток через сопротивление увеличивается и создает падение напряжения , открывающее в соответствующие полупериоды транзисторы . Оказываясь в режиме насыщения, они шунтируют входную цепь мощного усилительного каскада. В итоге входное напряжение в основном падает на сопротивлении , а токи транзисторов не превышают значений, при которых транзисторы открылись. Подобная защита имеет высокое быстродействие и обеспечивает надежную работу мощных усилительных каскадов. При ее введении обязательно наличие дополнительного сопротивления , которое выбирают исходя из минимально допустимого значения сопротивления нагрузки предусилителя, к которому подключается выходной каскад.

Рис. 4.55. Выходной каскад на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ (а): выходной каскад на полевых транзисторах (6)

Бестрансформаторные усилители мощности имеют коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице: . Усиление по мощности выполняют за счет большого усиления по току .

В тех случаях, когда необходимо обеспечить усиление по напряжению или получить высокое выходное сопротивление, применяют двухтактные усилители мощности, выполненные по схеме с ОЭ (рис. 4.55, а). В ней транзисторы работают в режиме В и каждый из них усиливает «свою» полуволну входного напряжения. Все уравнения, полученные в § 4.5 для каскада с ОЭ, справедливы для этого случая применительно к каждому из транзисторов . Также справедливы уравнения для энергетических параметров, полученные в § 4.12, и изложенные там рекомендации по выбору транзисторов.

В отличие от каскада на транзисторах, включенных по схеме с ОК, выходное сопротивление у данного каскада большое и определяется сопротивлением Коэффициент усиления по напряжению зависит от сопротивления нагрузки:

(4.279)

Так как у транзисторов различны, то разные полуволны усиливаются по-разному и без введения ОС нелинейные искажения сигнала велики. Местная ОС, введенная с помощью резисторов , эффективна только тогда, когда выполняются условия . Тогда (4.279) примет вид

(4.280)

и нелинейные искажения будут отсутствовать (при одинаковых резисторах ).

Каскад сдвигает на 180° фазу выходного напряжения относительно фазы входного.

Иногда с целью стабилизации коэффициента усиления к выходу подключают постоянное сопротивление нагрузки , к которому дополнительно подключают сложный выходной каскад с ОК, показанный на рис. 4.50, в, г.

С появлением мощных полевых транзисторов их стали широко использовать в качестве усилителей мощности. При этом обеспечивается получение меньших нелинейных искажений, а также улучшение частотных характеристик. Несколько повышается и коэффициент использования напряжения источника питания

(4.281)

ввиду того, что у полевых транзисторов нет напряжения насыщения, как у биполярных, а падение напряжения определяется сопротивлением канала и током стока. Мощные полевые транзисторы обычно используются в сочетании с биполярными, как, например, в каскаде на рис. 4.55, б. В нем предусилитель выполнен на биполярных транзисторах по схеме, аналогичной рис. 4.55, а. Усилитель мощности собран на мощных полевых транзисторах , имеющих каналы с электропроводностью различного типа. Они включены по схеме с общим стоком и повторяют напряжения, снимаемые с резисторов . Так как транзисторы имеют индуцированный канал, то для устранения искажений типа «ступенька» введено напряжение смещения с помощью резисторов диодов и стабилитронов . Стабилитроны использованы для уменьшения количества диодов. Их применение целесообразно в тех случаях, когда полевые транзисторы имеют большое пороговое напряжение. Напряжения на затворах транзисторов повторяют напряжение точки А со смещением по уровню на практически постоянное значение напряжения смещения. Для получения нулевого выходного напряжения при потенциал точки А должен быть регулируемым. Для этого в базы транзисторов можно ввести регулируемые токи и тем самым перевести их в режим работы АВ. При этом снижаются искажения типа «ступенька» у предусилителя. Общий подход и соображения по выбору мощных транзисторов не зависят от их типа, хотя при практической реализации приходится учитывать особенности включения конкретных активных приборов.

В некоторых случаях приходится применять параллельное соединение транзисторов. Это используется тогда, когда не удается подобрать активный прибор, обеспечивающий получение нужного тока и рассеиваемой мощности. При параллельном включении все транзисторы необходимо располагать на одном теплоотводе, а в цепях всех эмиттеров устанавливать малые резисторы (доли Ом).

Цель этого — получение у транзисторов одинаковых параметров и равномерное распределение нагрузки между ними. При неидентичности параметров на отдельных транзисторах будет рассеиваться большая мощность, которая выводит их из строя, а затем могут выйти из строя оставшиеся транзисторы и весь усилитель.

Используя комбинации основных схем включения транзисторов, можно реализовать бестрансформаторные выходные каскады с различными параметрами и свойствами, которые обеспечат получение требуемой мощности в сопротивлении нагрузки.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление