Лекция №10 Двухтактные выходные каскады

10.1. Резисторные двухтактные усилители напряжения

Двухтактными называют каскады, содержащие два усили­тельных элемента, работающих в противофазе на общую нагрузку, рис.10.1.

Рис.10.1. Резисторный двухтактный усилитель.

Резисторные двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада, которые называются плечами и работают в противофазе. Плечи двухтактного усилителя объединены общим проводом и источником питания. В отличие от однотактных усилителей двухтактные усилители имеют симметричный вход, т.е. на вход двухтактного усилителя подается симметричный усиливаемый сигнал (двухфазное напряжение, сдвинутое по фазе на 180^ и имеющее равные амплитуды). Следовательно, между однотактным предварительным усилителем и двухтактным выходным каскадом должно быть предусмотрено устройство, преобразующее несимметричное однофазное напряжение в симметричное. Схемы такого назначения называют фазоинверсными.

Так как плечи двухтактной схемы работают в противофазе, то в режиме А одинаковые по величине и противоположные по направлению токи сигнала в общем проводе эмиттеров компенсируются. Поэтому R_э не нуждается в шунтировании конденсатором С_э.

10.2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Двухтактные транзисторные каскады находят самое широкое применение в усилителях мощности. Рассмотрим принципиальную схему двухтактного трансформаторного усилителя мощности, рис.10.2

В отличие от резисторного каскада трансформаторное включение позволяет объединить нагрузку плеч. Из-за большого разброса параметров каскады с общей эмиттерной стабилизацией R₅ получается ассиметрия плеч. Поэтому для симметрирования плеч в цепи эмиттеров каждого транзистора обычно включают подстроечные небольшие резисторы R_э1 и R_э2.

Рис.10.2. Двухтактный трансформатор усилителя мощности.

В качестве фазоинверсной схемы на входе двухтактного усилителя мощности может быть использован трансформатор с заземленной средней точкой во вторичной обмотке. В этом случае принципиальная схема двухтактного усилителя имеет следующий вид, рис.10.3.

Рис.10.3. Выходной каскад с согласующим трансформатором.

В этой схеме используется два трансформатора: Тр.1 – согласующий, Тр.2 – выходной. Применение согласующего трансформатора позволяет объединить делители для подачи смещения. В режиме В использование эмиттерной стабилизации приводит к дополнительным нелинейным искажениям, поэтому в этой схеме используется температурная стабилизация.

10.3. Работа двухтактного каскада в режиме в.

Основным достоинством двухтактного каскада яв­ляется возможность использования экономичного режима В без замет­ных нелинейных искажений. Последнее объясняется свойством двух­тактной схемы компенсировать четные гармоники. Если двухтактный каскад выполнен на однотипных усилительных элементах, то их воз­буждение ведется от источника двухфазного (0° и 180°) напряжения, получаемого от фазоинверсного каскада или трансформатора, вторич­ная обмотка которого имеет вывод от средней точки, соединенной с общим проводом.

Если в рассматриваемый момент времени полярность U_вх1 отрицательная, то V₁ открывается, следовательно коллекторный ток возрастает на некоторую величину, в то время как коллекторный ток второго транзисторауменьшается, так как фазыU_вх1 и U_вх2 отличаются на 180°.

Первичная обмотка выходного трансформатора наматывается в одну сторону и от ее середины делается отвод. Через первичную об­мотку протекают следующие токи: - полный коллекторный ток первого транзистора (рис.10.4.1) и полный коллекторный ток второго транзистора (рис.10.4.2).

Магнитное действие токов и взаимно противоположны, т.к. они протекают в противоположных направлениях. Поэтому результирующее значение магнитодвижущей силы пропорцио­нально разности:

. (10.1)

Разность полных токов удобно рассматривать как некоторый эк­вивалентный намагничивающий ток , (рис.10.4.3.) и представлять как сумму двух составляющих: постояннойи переменной.

Если динамические характеристики совпадают, то ;,.

В момент покоя коллекторные токи транзисторов создают маг­нитные статические поля, равные и взаимно противоположные по нап­равлению, в результате чего постоянное магнитостатическое поле в сердечнике выходного трансформатора отсутствует. Это является важным преимуществом, так как при этом увеличиваетя индук­тивность первичной обмотки, вследсвии чего уменьшается коэффициент и уровень нели­нейных искажений, создаваемых самим трансформатором. Все это поз­воляет снизить массу и габаритные размеры трансформатора. Другим преимуществом является отсутствие четных гармоник и связанных с ними комбинационных частот:

В соответствии с последним выражением разностный ток не содержит четных гармоник, что уменьшает коэффициент нелинейных искажений.

В двухтактных усилителях потребляемый ток I_кср=2i_кmax/ зависит от амплитуды сигнала, рис.10.4.4. При малых амплитудах или отсутствии сигнала I_кср0. Следовательно, потребляемая мощность незначительна. Вследствие чего двухтактный усилитель мощности по сравнению с однотактным имеет высокую эффективность и экономичность (напомним, что в режиме А потребляемая мощность от амплитуды сигнала не зависит). Поэтому двухтактные каскады в режиме В применяются в аппаратуре с аккумуляторным питанием при любой мощности выходного сигнала.

Рис.10.4. Графики токов в двухтактном каскаде.

Наконец, к числу преимуществ двухтактного каскада следует отнести то обстоятельство, что общий потребляемый ток, протекающий через источник питания, не содержит составляющие основной частоты. Переменные составляющие токов i^_к~ и i^_к~ взаимно компенсируются. Отсутствие в цепи источника питания основной частоты позволяет исключить шунтирующую емкость С_э и уменьшить емкость развязывающего фильтра C_ф. Следует отметить, что указанные преимущества в полной мере реализуются только при симметрии плеч.

В двухтактной трансформаторной схеме в режиме класса "В" без исходного смещения характерны искажения типа «ступеньки» (рис.10.5.).

Рис.10.5. Искажения типа ступеньки.

Для уменьшения этих искажений на базы транзисторов подается не­большое напряжение смещения, равное абсциссе точки пересечения касательной, проведенной через точку, расположенную на прямолинейной части характеристики, с осью абсцисс, рис.10.6.

Рис.10.6. Сопряжение проходных характеристик транзисторов в двухтактном усилителе с исходным смещением и диаграмма тока.