Двухтактный усилитель мощности.

На рис. 10.49 приведена схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторным входом и выходом на биполярных транзисторах.

Усилитель состоит из двух симметричных плеч, содержащих биполярные транзисторы VT1 и VT2 с максимально близкими параметрами, которые работают в идентичных режимах. Каждый из транзисторов со своими цепями составляет плечо каскада. Входной трансформатор Т1 имеет вывод от средней точки вторичной обмотки, обеспечивающий подачу на базы транзисторов VT1 и VT2 двух равных по величине, но противоположных по фазе входных напряжений пвх1 и ивх2. Выходной трансформатор Т2 имеет вывод от средней точки первичной обмотки, через который на коллекторы транзисторов подается напряжения питания Un. Резисторы R? и R? образуют делитель напряжения, обеспечивающий подачу напряжения смещения на базы транзисторов VT1 и VT2 для установки требуемого режима усиления.

Каждое плечо усилителя представляет собой однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом, однако работа двух плеч придает усилителю новые качества. Выходной трансформатор Т2 суммирует переменные составляющие коллекторных токов iK1 и iK2 транзисторов VT1 и VT2. К вторичной обмотке трансформатора Т2 подключено нагрузочное устройство с сопротивлением RH.

При отсутствии входного сигнала, т.е. в режиме покоя, в коллекторных цепях транзисторов VT1 и VT2 протекают только постоянные составляющие токов 7К10 и /к20, величины которых определяются выбранным положением точки покоя на характеристиках транзисторов (классом усиления). Коллекторные токи покоя /К10 и /К20 протекают по первичной обмотке выходного трансформатора от средней точки в противоположных направлениях. Следовательно, при полной симметрии плеч магнитные поля, создаваемые этими токами, компенсируются и в сердечнике трансформатора отсутствует постоянная составляющая магнитного потока (постоянное подмагничивание). Это является важным преимуществом двухтактной схемы над однотактной, так как уменьшает нелинейные искажения, вносимые трансформатором, и позволяет сделать его менее громоздким.

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторным входом и выходом

Рис. 10.49. Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторным входом и выходом

Особенно ощутимы преимущества двухтактных усилителей при использовании режима В. В режиме В каждый из транзисторов открыт и участвует в формировании выходного напряжения только в течение одного полупериода. Транзисторы работают как бы поочередно, образуя синусоидальное выходное напряжение из двух полусинусоид.

В результате мощность, отдаваемая в нагрузку, в сравнении с однотактным усилителем значительно увеличивается.

Однако нелинейные искажения при работе усилителя в режиме В существенно больше, чем в режиме А. Они возникают как во входной цепи из-за большой нелинейности входной характеристики транзисторов вблизи нуля, так и в выходной цепи из-за неравенства токов коллекторов и различных значений параметров транзисторов.

Временные диаграммы, поясняющие работу двухтактного усилителя мощности в режиме В, приведены на рис. 10.50.

Временные диаграммы работы двухтактного усилителя мощности в режиме усиления В

Рис. 10.50. Временные диаграммы работы двухтактного усилителя мощности в режиме усиления В

Нелинейность входной характеристики приводит к типичным искажениям коллекторного тока и выходного напряжения в области малых сигналов (искажения типа «ступенька»), показанным на рис. 10.50.

Для уменьшения этих искажений на базы транзисторов VT1 и VT2 с помощью делителя на резисторах R^ и R? подается напряжение смещения, тем самым увеличивая токи покоя базы и коллектора. При этом усилитель работает в режиме АВ. В этом случае несколько уменьшается

КПД усилителя, а ток и мощность, потребляемые от источника питания, увеличиваются.

Временные диаграммы, поясняющие работу двухтактного усилителя мощности в режиме АВ, приведены на рис. 10.51.

Таким образом, двухтактный усилитель мощности обеспечивает получение в нагрузке больших выходных мощностей и высокого КПД при работе в режимах В и АВ.

Вместе с тем двухтактному усилителю мощности присущи большие нелинейные искажения, чем у однотактного. Кроме того, к недостаткам следует отнести необходимость в двух идентичных транзисторах и входном и выходном трансформаторах с выводами от средней точки, что приводит к усложнению схемы и конструкции усилителя.

Бестрансформаторный усилитель мощности. Бестрансформатор- ный усилитель мощности является двухтактным усилителем и не имеет в схеме трансформаторов, вносящих дополнительные искажения в усиливаемый сигнал. На рис. 10.52 приведена простейшая схема бестранс- форматорного усилителя мощности, работающего в режиме С.

Временные диаграммы работы двухтактного усилителя мощности в режиме усиления АВ

Рис. 10.51. Временные диаграммы работы двухтактного усилителя мощности в режиме усиления АВ

Схема бестрансформаторного усилителя мощности в режиме С

Рис. 10.52. Схема бестрансформаторного усилителя мощности в режиме С

Усилитель построен на двух биполярных транзисторах VT1 и VT2 различной проводимости. Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме с общим коллектором, так как это обеспечивает минимальное выходное сопротивление, что особенно важно при работе усилителя на низкоомную нагрузку. Допускается применение других схем включения. Независимо от схемы включения транзисторы должны быть подобраны по возможности с идентичными параметрами.

В схеме усилителя (рис. 10.52) используются два разнополярных источника питания с одинаковыми по модулю напряжениями +Un и — Un, обеспечивающие протекание выходных коллекторных токов iK1 и iK2 соответственно транзисторов VT1 и VT2, которые работают на одно сопротивление нагрузки RH.

Для получения режимов В иАВ в схему усилителя (см. рис. 10.52) водится базовый делитель напряжения на резисторах R1...R4. На рис. 10.53, а приведена схема бестрансформаторного усилителя мощности, работающего в режимах В, АВ.

Схема бестрансформаторного усилителя мощности в режимах В, АВ

Рис. 10.53. Схема бестрансформаторного усилителя мощности в режимах В, АВ:

а — с двумя источниками питания; б — с одним источником питания

Делитель напряжения на резисторах R1...R4 предназначен для создания напряжения смещения на базах транзисторов в зависимости от требуемого режима работы В или АВ.

При отсутствии входного сигнала ивх (в режиме покоя) под действием напряжения смещения UCM на резисторах R2 и R3 через переходы база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 протекает ток базы покоя /Б0, тем самым обеспечивается требуемый режим усиления (в режиме В ток базы покоя 1Ъ0 равен нулю). При этом под действием напряжений +Un и - Un источников питания через транзисторы соответственно VT 1 и VT2 и сопротивление нагрузки RH протекают приблизительно равные (в случае идентичности параметров транзисторов) коллекторные токи /К10, 1К20 покоя. Как видно из рис. 10.53, а, эти токи протекают через нагрузку RH в противоположных направлениях, поэтому в нагрузке они вычитаются и ток через нагрузку RH, а значит и выходное напряжение нвых, в режиме покоя практически равны нулю.

При положительной полуволне входного напряжения ивх (полярность напряжения ивх (указана на рис. 10.53, а без скобок) переменная составляющая тока базы im транзистора VT 1 протекает по цепи: «+пвх» — R2 — VT1 — RH — _1_ — <<~ивх>>- Транзистор VT1 открывается и через нагрузку под действием напряжение питания +Un протекает переменная составляющая тока коллектора ?К1. В результате на нагрузке RH выделяется положительная полуволна выходного напряжения пвых. При этом (в режиме Б) базовый ток ?Б2 через транзистор VT2 не протекает, так как входное напряжение ивх приложено к его переходу база- эмиттер в обратном направлении. Транзистор VT2 закрыт и переменная составляющая его коллекторного тока i^ равна нулю.

При отрицательной полуволне входного напряжения ивх (полярность напряжения ивх (указана на рис. 10.53, а в скобках) переменная составляющая тока базы ?Б2 транзистора VT2 протекает по цепи: «+нвх» — ± — RH — VT2 — R3 — «-ивх». Транзистор VT2 открывается и через нагрузку под действием напряжение питания - Un протекает переменная составляющая тока коллектора ?К2 транзистора в направлении, противоположном ?К1. В результате на нагрузке RH выделяется отрицательная полуволна выходного напряжения пвых. При этом (в режиме Б) базовый ток ?Б1 через транзистор VT1 не протекает, так как входное напряжение ивх приложено к его переходу база-эмиттер в обратном направлении. Транзистор VT1 закрыт и переменная составляющая его коллекторного тока ?К1 равна нулю.

Таким образом, в результате совместной работы двух транзисторов VT1 и VT2 на выходе усилителя формируются обе полуволны выходного синусоидального напряжения нвых. Поскольку транзисторы включены по схеме с общим коллектором, величина выходного напряжения нвых усилителя практически равна величине входного ивх. Однако вследствие усиления входного сигнала по току усилитель обеспечивает усиление по мощности.

Транзисторы бестрансформаторного усилителя мощности обычно работают с большими коллекторными токами, что приводит к их нагреву. По мере нагрева их коллекторные токи возрастают. Выделяющаяся при этом дополнительная теплота усугубляет положение и повышает вероятность того, что в схеме разовьется неконтролируемая положительная обратная связь. Даже если этого не произойдет, режим усиления существенно изменится в результате смещения рабочей точки покоя транзисторов. С целью охлаждения транзисторы усилителя устанавливаются на охладители (радиаторы), площадь поверхности которых зависит от выходной мощности усилителя.

Для уменьшения температурной зависимости в схему усилителя (см. рис. 10.53, а) вводятся элементы, обеспечивающие термостабилизацию схемы. Для этого резисторы R2, R3 заменяются на диоды VD1...VD4 и напряжение смещения UCM, которое подается на базы транзисторов, является падением напряжения на этих диодах. Для усиления эффективности отрицательной обратной связи по температуре диоды VD1...VD4 устанавливаются непосредственно на охладители транзисторов VT1 и VT2. Типы диодов и их количество выбираются из условия обеспечения требуемого режима работы В или АВ.

При увеличении температуры происходит падение напряжения на диодах VD1...VD4, а значит и напряжение смещения UCM, уменьшается, в результате чего уменьшаются токи покоя базы и коллектора транзисторов VT1 и VT2. Для улучшения термостабилизации усилителя в эмиттерные цепи транзисторов включаются резисторы R31 и R32 с небольшим сопротивлением. Кроме того, резисторы ЯЭ1 и R32 защищают транзисторы VT1 и VT2 усилителя от возможных коротких замыканий в нагрузке, обеспечивая ограничение токов короткого замыкания.

Основное достоинство бестрансформаторного усилителя мощности заключается в отсутствии входного и выходного трансформаторов. Недостатком является некоторая трудность подбора идентичных по параметрам транзисторов разного типа проводимости р-п-р и п-р-п. В схеме рис. 10.53, а часто используются транзисторы одного типа проводимости. Тогда на базы транзисторов VT1 и VT2 необходимо подавать противофазные входные сигналы. Для их получения перед оконечным каскадом усилителя включается фазоинвертор, выполненный на транзисторах разного типа проводимости.

На рис. 10.53, б приведена схема бестрансформаторного усилителя мощности с одним источником питания Un. Конденсаторы в этой схеме усилителя служат для отделения переменной составляющей полезного сигнала от постоянной составляющей, обеспечивающей режим работы усилителя. В этом случае амплитуда выходного напряжения усилителя будет ограничиваться половиной напряжения источника питания Un.

Бестрансформаторные усилители мощности в настоящее время выпускаются в виде интегральных микросхем, например: К174УН11, К174УН19.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >