Каскады усиления мощности (УМ) на биполярных транзисторах

Все предварительные транзисторные каскады, усиливая сигнал по току и напряжению, фактически усиливают его и по мощности, но основным каскадом в многокаскадном усилителе, который отдает полезную выходную мощность необходимой величины в нагрузку, при допустимых нелинейных искажениях сигнала, является последний выходной каскад, называемый каскадом усиления мощности.

Аналогично ранее рассмотренным ламповым вариантам различают однотактные каскады УМ, работающие в режиме класса А, и двухтактные каскады УМ, которые могут работать в режимах классов А, В, АВ при соответствующих КПД.

Из электротехники известно, что любой генератор тока или напряжения отдает максимально возможную мощность в нагрузку при условии равенства его внутреннего сопротивления с сопротивлением нагрузки. Учитывая это обстоятельство и имея в виду, что большинство исполнительных механизмов, потребляющих полезную выходную мощность каскада УМ, обладают небольшой величиной сопротивления, их включают в выходную цепь каскада УМ при помощи выходного трансформатора, который согласует малую величину сопротивления нагрузки со значительно большим выходным сопротивлением каскада.

При таком согласовании сопротивление нагрузки R_н, включенной во вторичную обмотку выходного трансформатора, пересчитывается в приведенное сопротивление R_экв его первичной обмотки по следующей формуле:

R_экв = n² * R_н, где коэффициент трансформации

а с учетом КПД трансформатора, равного h_тр = 0.8 — 0.98; n²R_н= = h_тр * R_экв;

В тех случаях, когда R_н R_экв, то нагрузку можно включать в выходную коллекторную цепь однотактного усилительного каскада УМ без согласующего трансформатора.

1. Однотактный каскад УМ.

Однотактные каскады УМ дают возможность получить полезную выходную мощность в подключенной нагрузке от долей ватта до 2 - 3 Вт.

Типовая схема такого каскада УМ с выходным трансформатором приведена на рис. 1.9.1, а. Ввиду того, что первичная обмотка выходного трансформатора имеет небольшое омическое сопротивление постоянному току I_ко, в режиме покоя при U_вх = 0 почти все напряжение источника питания Е_к приложено к коллектору транзистора и равно

Е_к = U_кэ0 + I_э0 * R_э + I_к0 * r_{1
трансф} » (1.1 - 1.25) * U_кэ0.

Поэтому нагрузочная линия по постоянному току проходит через рабочую точку под углом , значительно большим, чем нагрузочная линия для переменного тока, соответствующая динамическому режиму работы каскада (рис. 1.9.1, в). Наличие входного сигнала U_вх = U_mвх * sinwt и базового тока i_б = I_б0 + I_mб * sinwt вызывает в выходной цепи каскада пульсирующий ток коллектора i_к = I_к0 + I_mк * sinwt и пульсирующее напряжение на коллекторе u_к = U_кэ0 + U_mк * sin(wt - p), отстающее по фазе на 180° от фазы входного напряжения в схеме с ОЭ.

нагрузки i_н=I_mн*sinwt, выделяя в нагрузке необходимую полезную мощность усиленного сигнала

Р_вых = 0,5 * I_mк * U_mк = 0,5 * I_mк² *R_{экв к-да}= 0,5 * I_mн²* R_н.

Коэффициент полезного действия транзисторного каскада УМ

h = (Р_вых / Р₀) * 100% < 45%, где Р₀ = I_к0 * Е_к.

Коэффициент усиления по мощности каскада УМ

К_р = Р_вых / Р_вх.

Рис 1.9.1. Схема транзисторного однотактного каскада УМ с ОЭ:

а - с выходным трансформатором; б - с обмоткой э/м реле в коллекторной цепи; в - графический анализ работы этого каскада УМ в режиме класса А

При этом индуктируемая ЭДС во вторичной обмотке трансформатора создает ток

С учетом КПД трансформатора выходная мощность каскада УМ в режиме класса А ограничивается величиной

P_вых = P_{доп
трапз} * h_трасф

Р_{доп транз} = Р_вых/ h_транз

2. Двухтактный каскад УМ на биполярных транзисторах с переходным и выходным трансформаторами.

Двухтактные каскады УМ, которые могут работать в режимах классов А, АВ, В, дают возможность получать полезную выходную мощность в нагрузке в два и в несколько раз больше, чем однотактные каскады УМ. При этом уменьшаются нелинейные искажения, а также влияние внешних помех, снижается фон переменного тока источника питания и т. п.

В этих каскадах УМ постоянные составляющие, а также четные гармоники коллекторных токов обоих транзисторов протекают по одинаковым полуобмоткам первичной обмотки трансформатора навстречу друг другу и, взаимно компенсируясь, не намагничивают сердечник. Это позволяет уменьшить габариты, массу и стоимость трансформатора.

Суммарный ток обоих транзисторов, равный току источника питания, не содержит первой гармоники, что устраняет паразитную обратную связь через цепь источника питания.

При работе в более экономичных режимах классов АВ1 или В значительно повышается КПД двухтактного каскада УМ. При этом транзисторы могут включаться по схемам с ОЭ, ОБ или ОК.

Наибольший коэффициент усиления по мощности получается при включении транзисторов по схеме с ОЭ, что требует меньшей мощности входного сигнала, отбираемого от каскада предварительного усиления, который может собираться или с переходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку со средней точкой, или по схеме с разделенной нагрузкой, обеспечивающей фазоинвертирование сигнала, подаваемого на базы выходных транзисторов, без переходного фазоинвертирующего трансформатора.

Рис. 1.9.2. Схема транзисторного двухтактного каскада УМ с ОЭ, с автоматическим смещением в классе АВ1 (а); то же, но без автоматического смещения в классе В (б); график работы одного плеча этого каскада УМ в классе В (в); диаграммы напряжений и токов в цепях такого каскада в классе АВ1 (г)

При включении транзисторов по схеме с ОБ получается небольшой коэффициент усиления по мощности и требуется большей величины ток на выходе каскада предварительного усиления, так как выходным током мощных транзисторов в схеме каскада УМ с ОБ служат их эмиттерные токи. Входные сопротивления транзисторов в схеме с ОБ имеют малую величину, поэтому выходной двухтактный каскад УМ подключается к каскаду предварительного усиления при помощи переходного фазоинвертирующего трансформатора.

На рис. 1.9.2, а приведена типовая схема с ОЭ двухтактного каскада УМ, которая может работать в режимах классов А или АВ. При работе в режиме класса В резисторы R₁ и R₂ не включаются, так как в этом режиме U_бэ0 = 0, то есть транзисторы работают без напряжения смещения (рис. 1.9.2, б, в). Графическое пояснение принципа работы двухтактного каскада УМ в режиме класса АВ1 показано на рис. 1.9.2, г.

Расчет двухтактной схемы УМ проводится графоаналитическим методом только для одного плеча, аналогично расчету однотактного каскада УМ. При этом необходимо расчетную величину полезной мощности Р_вых, для каждого плеча взять равной половине заданной полезной мощности, выделяемой в нагрузке Р_н, то есть

Р_вых = Р_н / 2 = I_mк U_mк / 4

С учетом коэффициента трансформации и КПД трансформатора h_тр полезная выходная мощность каждого плеча будет определяться выражением:

Р_вых× h_тр = Р_н / 2 = I_mкU_mк/ (2 × 2) = I²_mк R_экв / 4,

где R_экв= n² R_н , n = W₁ / 2W₂ ;

W₁ / 2 - число витков полуобмотки первичной обмотки трансформатора;

R_экв - приведенное сопротивление нагрузки к одной первичной полуобмотке выходного трансформатора; величину напряжения источника питания в режиме классов АВ1 или В выбирают из расчета

Е_к » 0.6 * U_{m вых} » (1.1 - 1.25)U_{кэ 0}.

В таких двухтактных схемах УМ можно получить полезную выходную мощность в нагрузке Р_вых » 3Р_{к
макс доп} при заданной рабочей температуре. Коэффициент полезного действия такого каскада УМ в режиме класса В достигает h_э = Р_вых * 100% / Р₀ » » 45 - 60%.

3. Двухтактный каскад УМ с предварительным парафазным, то есть фазоинверсным, каскадом с разделенной нагрузкой.

Принципиальная электрическая схема такого усилительного каскада УМ приведена на рис. 1.9.3. В такой схеме двухтактный каскад УМ подключается вместо переходного фазоинверсного трансформатора со средней точкой к предварительному фазоинверсному каскаду на транзисторе с общим эмиттером, нагрузка которого разделена на две почти равные части R_к » R_э. . Так как эмиттерный ток I_э = = I_к + I_б немного больше тока коллектора I_к, то величину сопротивления резистора R_к выбирают немного больше сопротивления эмиттерного резистора R_э.

В этой схеме усилителя величина каждого сопротивления резисторов R1 и R2, R5 и R6 в цепях делителей напряжения рассчитывается, исходя из необходимой величины напряжения смещения, подаваемого на базы транзисторов, для выбора рабочей точки в режиме класса А для фазоинверсного каскада и в режиме класса АВ1 для каскада УМ.

В схеме включают R3 = R4; С₂ = С₃ = единицы - десятки мкФ. Резистор R_э, не зашунтированный конденсатором, создает последовательную отрицательную обратную связь не только по постоянной составляющей эмиттерного тока, что стабилизирует положение рабочей точки при изменении температуры, но и по переменной его составляющей, что уменьшает коэффициент усиления предварительного каскада по напряжению в 1+ gК_u раз, то есть

К_{u (ooc)}= К_u/ (1+ gК_i ) , где g = U_oc / U_вых— коэффициент передачи напряжения обратной связи;

К_u — коэффициент усиления каскада по напряжению без обратной связи:

К_u = bR_к / R_{вх к-да} ; R_{вх к-да}= R_б || r_{вх тр-ра} (без обр. св.),

где R_б = R1 || R2.

Хотя фазоинверсный каскад предварительного усиления и не усиливает входной сигнал по напряжению, однако он усиливает сигнал по току примерно в раз.

Рис 1.9.3. Схема двухтактного каскада УМ с предварительным фазоинверсным каскадом с разделенной нагрузкой, с автоматическим смещением

Выходное сопротивление этого каскада по коллекторному выходу значительно больше выходного сопротивления каскада по эмиттерному выходу

В процессе усиления, когда на вход фазоинверсного каскада подается входное напряжение сигнала U_вх = U_{m вых} * sinwt, одновременно на базы обоих транзисторов двухтактного каскада подаются одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180° входные напряжения, которые усиливаются выходным транзистором каждого плеча так же, как в обычной схеме двухтактного каскада УМ.

4. Бестрансформаторный двухтактный каскад УМ.

В последние годы в усилительных устройствах стали применять бестрансформаторные выходные каскады УМ, некоторые схемы которых приведены на рис. 1.9.4.

Особенностью схем бестрансформаторных двухтактных каскадов УМ является применение в них транзисторов разноименной полярности, то есть в одном плече каскада включен транзистор типа р-n-р, а в другом плече - транзистор типа n-p-n. Оба транзистора обладают одинаковыми коэффициентами по току В_ст1 = В_{ст
2} » 30 - 50, а также одинаковыми обратными токами коллекторов I_{кб0 1} = I_кб02.

Применение разноструктурных транзисторов устраняет необходимость фазоинвертирования входного каскада.

В этих каскадах УМ транзисторы включают по схеме с общим коллектором, что создает последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, уменьшая нелинейные и частотные искажения выходного сигнала и расширяя этим полосу пропускания Df = f_{в гран} — f_{н гран}.

Работая в режиме класса В или АВ1 такие низкочастотные каскады УМ имеют наибольший КПД (до 45 — 70%) в тех случаях, когда у выходных транзисторов верхняя граничная частота примерно в 1,5 - 2 раза больше максимальной частоты усиливаемого сигнала f_{с макс}. При невыполнении этого условия КПД каскада значительно снижается, так как происходит увеличение потребляемого тока, который увеличивает мощность, бесполезно рассеиваемую коллекторами транзисторов, что может вывести их из строя. Например, если при биполярных транзисторах типа П201А происходит заметное уменьшение КПД каскада на частотах больше 3 — 5 кГц, то при использовании среднечастотных транзисторов типа П601 — П602 это явление наступает при частотах свыше 50 — 100 кГц, а при транзисторах типа П212 — свыше 20 — 50 кГц. При этом КПД

h = Р_вых× 100% / Р₀ ,

где Р₀ = Е_к * I_к — мощность, потребляемая от источника питания Е_к.

Максимальная полезная выходная мощность таких каскадов УМ возрастает с увеличением напряжения источника питания, но не более чем Е_к £ U_{к э
доп}, а также при уменьшении сопротивления нагрузки до минимально допустимой величины, ограничиваемой предельно допустимым током коллектора I_{к макс}.

При этом можно принять, что Р_вых = I_вых,

U_вых = 0,5 * I_{m
вых}* U_{m вых} = 0,5Р_{вых макс} » P_{вых
доп}, то есть Р_{вых макс} » 2 * Р_{доп транз}.

Простейшая схема бестрансформаторного двухтактного каскада УМ, собранного на разнотипных транзисторах, работающая в режиме класса В без начального напряжения смещения, показана на рис. 33, а, б. Принцип работы ее состоит в следующем. Когда на базы обоих транзисторов подается одинаковое по величине и фазе входное напряжение U_вх = U_{m вх}*sinwt, то в положительный полупериод входного сигнала работает верхний транзистор типа n-р-n, пропуская коллекторный ток I_к1 через нагрузку R_н и источник питания Е_к, а в отрицательный полупериод работает нижний транзистор типа р-n-р и разряжающийся конденсатор С_р2, пропуская коллекторный ток I_к2, через нагрузку в противоположном направлении. Таким образом, через нагрузку проходит суммарный выходной ток i_н = I_{н макс} * sinwt.

Другая схема бестрансформаторного двухтактного каскада УМ (рис. 1.9.4, в) собирается также на двух разнотипных транзисторах. Этот каскад, работая в режимах классов А или АВ1, имеет во входных цепях делитель напряжения из резисторов R1, R2, RЗ, который обеспечивает необходимые одинаковые по величине начальные напряжения смещения, подаваемые на базы обоих транзисторов с разной полярностью, то есть + U_бэ1 и ± U_бэ2.

Диод Д обеспечивает термокомпенсацию рабочего режима транзисторов.

В динамическом режиме работы в классе АВ1, то есть при подаче на вход U_вх = U_mвх * sinwt транзисторы V1 и V2 будут поочередно открываться, пропуская выходной ток через нагрузку, подключенную через конденсатор С_р2, емкость которого нужно брать побольше, чтобы обеспечить меньший завал частотной характеристики в области нижней граничной частоты.

Третья схема (рис. 1.9.4, г) отличается от предыдущей тем, что имеет еще предварительный каскад усиления, собранный на транзисторе V1 по схеме с общим эмиттером. При этом симметричные напряжения смещения необходимой величины, подаваемые в режиме покоя на базы выходных транзисторов V2 и V3, снимаются с резистора R3 при прохождении через него тока покоя I_кo1 транзистора V1. Величина тока покоя I_ко1устанавливается подбором сопротивления резистора R2.

Четвертая схема (рис. 1.9.4, д) отличается от второй тем, что оба плеча собраны на двух составных эмиттерных повторителях, в которых транзисторы V1 и V2 разной электропроводности обеспечивают работу каскада без фазоинвертирования входного сигнала. Назначение делителя напряжения, состоящего из элементов R1, R2 || Д, RЗ, аналогично ранее рассмотренной второй схеме.

Резисторы R4 и R5 обеспечивают необходимый режим работы транзисторов V3 и V4 и уменьшают влияние разброса их параметров на режим работы транзисторов V1 и V2.

Рис. 1.9.4. Некоторые схемы бестрансформаторных двухтактных каскадов УМ:

а, б - в режиме класса В без начального смещения;

в - в режиме класса А или АВ1 с автоматическим смещением;

г - с предварительным усилительным каскадом, с автоматическим смещением;

д - на двух составных разноструктурных транзисторных повторителях в обоих плечах;

е - график, показывающий динамику подачи напряжения смещения на базы эмиттерных повторителей

Применение составных транзисторных эмиттерных повторителей дает возможность получать более равномерную частотную характеристику вблизи и выше верхней граничной частоты, а также более высокий коэффициент усиления полезного выходного сигнала по мощности.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира