Требования, предъявляемые к выходным усилителям

Выходные усилители (усилители мощности) предназначены для передачи потребителю заданной или максимально возможной мощности при высоком КПД и допустимых уровнях частотных и нелинейных искажений. Поскольку выходные каскады работают, как правило, в режиме большого сигнала, их важнейшими показателями являются: отдаваемая в нагрузку мощность (или коэффициент усиления по мощности), КПД, а также уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала. Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя существенно зависят от начального положения рабочей точки. Минимально возможный уровень нелинейных искажений может быть обеспечен в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме класса В или АВ.

Основной задачей при построении выходных усилителей является согласование выходного сопротивления усилителя с нагрузкой Rн, т.е. Rвых = Rн.

Выходные каскады проектируют как в однотактном, так и в двухтактном исполнении. Однотактные каскады обычно работают в режиме класса А, двухтактные – в режиме класса В или АВ. Из всех вариантов двухтактная схема в режиме класса В является наиболее экономичной, обеспечивающей к тому же относительно большие уровни выходной мощности. Однотактную схему применяют при относительно малых выходных мощностях. При относительно небольших уровнях выходной мощности широко практикуют непосредственное подключение нагрузки в выходную цепь транзистора выходного каскада. Такие усилители называют бестрансформаторными выходными каскадами.

Транзисторы в выходных каскадах могут работать по любой схеме включения: ОЭ, ОБ, ОК.

Усилитель на транзисторе с ОК

(Эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада ОК показана на рис.4.14. Сопротивление нагрузки в усилителе включается в эмиттерную цепь транзистора. Такая структура схемы обладает повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями, что позволяет использовать ее для согласования или разделения высокоомного источника напряжения и низкоомной нагрузки.

Рис.4.14 Усилитель с общим коллектором (ЭП)

Назначение делителя напряжения R1, R2 и разделительных конденсаторов C1, С2 аналогично тем функциям, которые они выполняли в схеме рис. 4.11. Резистор Rэ является сопротивлением нагрузки транзистора по постоянному току, определяющим динамический режим работы эмиттерного повторителя. Внешняя нагрузка представлена резистором Rн.

Поскольку в области средних частот сопротивления разделительных конденсаторов можно считать незначительными, то сопротивление нагрузки транзистора переменному току определяется соотношением:

Rэн = RэRн /(Rэ + Rн)

При этом входное и выходное напряжения усилителя совпадают по фазе, так как при поступлении, например, отрицательной полуволны входного синусоидального сигнала

uвх = Uвхm sinωt

базовый ток уменьшается, вызывая уменьшение эмиттерного тока. Это приводит к уменьшению падения напряжения на сопротивлении Rэн и уменьшению отрицательного потенциала эмиттера, с которого снимается выходной сигнал.

Из схемы видно, что Uвх = Uбэ + Uвых. Так как сопротивление Rэ обычно значительно превышает сопротивление эмиттерного перехода, к которому приложено напряжение Uбэ, то Uвых >> Uбэ и Uвх ≈ Uвых. Так как Uвых = Uвх – Uбэ, то КU = Uвых/Uвх близок к единице, однако меньше ее. Таким образом, в схеме выходной сигнал повторяет входной по уровню напряжения и по фазе, что и предопределило название усилителя «эмиттерный повторитель»

Однако такая схема обладает усилением тока и мощности. Из сравнения схем рис.4.14 и 4.11, а нетрудно сделать вывод, что эмиттерный повторитель можно рассматривать как усилительный каскад ОЭ, у которого Rк = 0, а резистор Rэ не зашунтирован конденсатором Сэ. В этом случае все напряжение выходного сигнала, выделяемое на сопротивлении в цепи эмиттера, последовательно вводится во входную цепь усилителя. Но поскольку Uвх и Uвых, как отмечалось, синфазны, то последнее вычитается из напряжения входного сигнала Uвх, снижая его. Поэтому в схеме существует 100%-ная последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, увеличивающая входное и уменьшающая выходное сопротивления эмиттерного повторителя.

Усилитель мощности с трансформаторным выходом

Принципиальная схема однотактного выходного каскада при включении транзистора по схеме ОЭ изображена на рис. 4.15. Сопротивление нагрузки переменной составляющей коллекторного тока (на рис. 4.15 показано пунктирной линией), обусловленной полезным входным сигналом, является в общем случае комплексной величиной. В некоторой области средних частот можно считать, что нагрузка активная и сопротивление нагрузки:

R`н = Rн/n2.

Откуда коэффициент трансформации в режиме согласования:

n = √(Rн/R`н).

Или с учетом потерь в трансформаторе

nопт = √(Rн/(R`нη),

где η – КПД трансформатора.

Назначение элементов R1, R2, Rэ, Сэ, Cр1 такое же, как и в ранее рассмотренных усилителях.

Рис.4.15 Усилитель мощности с трансформаторным выходом

Двухтактный усилитель мощности

Тенденция к миниатюризации радиоэлектронных устройств привела к разработке двухтактных усилителей с бестрансформаторным выходом. В последнее время наиболее широкое применение находят выходные каскады как в дискретном, так и в интегральном исполнении, построенные на разнотипных транзисторах: р-п-р и п-р-п (на комплементарной паре транзисторов). Типичные схемы бестрансформаторных двухтактных усилителей на транзисторах с электропроводностью разных типов, характерной особенностью которых является возможность работы без фазоинверсного входного трансформатора показаны на рис. 4.16. Как видно из рисунка, такие выходные каскады имеют последовательное питание и параллельное включение нагрузки. Смещение по постоянному току осуществляется делителем R1,R2,R3. Поскольку сопротивление резистора R2 обычно мало, можно считать, что базы обоих транзисторов по переменному току соединены и имеют один входной зажим(несимметричный вход).

Рис.4.16 Двухтактный усилитель мощности

Когда на входе усилителя (рис. 4.19, а) появляется переменный сигнал, при положительной полуволне открывается транзистор типа п-р-п, пропуская в нагрузку ток, а состояние транзистора типа р-п-р не изменяется. При поступлении на вход отрицательной полуволны сигнала, наоборот, работает транзистор типа р-п-р. Таким образом, в нагрузке проходит переменный ток в течение всего периода. Постоянный ток в случае, если транзисторы имеют идентичные параметры и сигналы одинаковы по амплитуде, через нагрузку Rн не проходит. Поскольку оба транзистора в схеме включены по отношению к нагрузке как эмиттерные повторители, согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки (обычно низкоомной) значительно упрощается и КПД схемы может оказаться достаточно высоким.

Схема рассматриваемого усилителя упрощается при питании от общего источника Ек. Однако чтобы постоянная составляющая тока не проходила через нагрузку, последняя должна подсоединяться через конденсатор достаточно большой емкости (рис. 4.16,б).