7.4. Выходные каскады

Задачей выходных каскадов является обеспечение заданной мощности в нагрузке. Коэффициент усиления напряжения является для выходных каскадов второстепенным параметром; -для них наиболее важными являются коэффициент полезного действия и коэффициент нелинейных искажений при обеспечении заданной мощности.

Выходные каскады обычно потребляют основную часть мощности усилителя, поэтому высокий КПД имеет существенное значение. Это особенно важно для интегральных схем, в которых мощность, рассеиваемая кристаллом, ограничена. Что касается коэффициента нелинейных искажений, то для выходных каскадов он имеет немаловажное значение, поскольку в таких каскадах усиливаемые сигналы максимальны.

Коэффициент полезного действия определяется как отношение выходной мощности каскада к мощности, отбираемой от источника питания Ucc: КПД=и„1„,/2и„1,р, где U„,, !„ — амплитуды выходного тока и напряжения; Icp — среднее значение потребляемого каскадом тока.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует отличие формы выходного сигнала от формы входного, что обусловлено нелинейностью передаточной характеристики каскада. Нелинейные искажения характеризуются появлением в выходном сигнале новых гармоник, отсутствующих во входном сигнале. Характеристикой нелинейных искажений является отношение суммарной мощности высших гармоник, начиная со второй, к мощности первой гармоники (на частоте входного сигнала).

Допустимое значение коэффициента нелинейных искажений определяется конкретными требованиями к той или иной аппаратуре. Например, при воспроизведении звука в аппаратуре среднего качества допускаются искажения 2...3%, в измерительных устройствах и усилителях высокого класса его значения существенно меньше.

Как отмечалось выше, имеется несколько типов режимов работы выходных каскадов.

Класс А характеризуется минимальными нелинейными искажениями и малым КПД. Класс В характеризуется тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе квазилинейного участка, которая соответствует запертому состоянию транзистора. Очевидно, что в этом случае усиливаются только положительные полуволны входного сигнала. Поэтому выходное напряжение оказывается существенно несинусоидальным, т.е. содержит большое число гармоник. Анализ показывает, что коэффициент нелинейных искажений в классе В независимо от амплитуды сигнала составляет около 70%, что в большинстве случаях неприемлемо. Режим класса В реализуется в так называемой двухтактной схеме, состоящей по существу из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную. В нагрузке эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду.

На рис. 7.13, а показана наиболее простая двухтактная схема класса В, выполненная на коплементарных транзисторах (транзисторах разной проводимости). Нагрузка Rn включена в эмиттерную цепь транзисторов, работающих в режиме повторителей напряжения. В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны нулю. Во время положительной полуволны входного сигнала Ui открывается транзистор VT1, а во время отрицательной полуволны — транзистор VT2. Коэффициент усиления мощности близок к отношению эмиттерного и базового токов, т.е. равен В+1.

При очевидной простоте схемы на рис. 7.13, а ей свойственны сравнительно большие нелинейные искажения, что связано с наличием так называемой "пятки" на входной ВАХ биполярных транзисторов. Очевидно, что такие искажения будут особенно существенны при малых входных сигналах с амплитудой, сравнимой с напряжением база—эмиттер в рабочей точке. Для устранения этого недостатка используют раздельные схемы подачи смещения на базы транзисторов (рис. 7.13, б), что обеспечивает режим класса АВ.

При построении выходного каскада на однотипных транзисторах используется схема на рис. 7.13, в. В ней транзистор VT2 открыт в течение обоих полупериодов. В режиме покоя ток транзистора выбирается так, чтобы потенциал коллектора VT2 был равен нулю. При этом диод VD и транзистор VT1 заперты; ток в нагрузке отсутствует. Во время положительной полуволны входного сигнала потенциал коллектора VT2 уменьшается, при этом открывается диод VD и через нагрузку начинает протекать ток. Транзистор VT1 остается закрытым, так как прямое напряжение Е на диоде создает на эмиттерном переходе обратное смещение. Во время отрицательной полуволны потенциал коллектора VT2 повышается, отпирается транзистор VT1 и через нагрузку протекает ток, обусловленный транзистором VT1. При этом диод заперт, так как прямое напряжение Е на эмиттерном переходе создает на диоде обратное смещение.

Для того чтобы открылся диод VD (при положительной полуволне) или транзистор VT1 (при отрицательной полуволне), потенциал коллектора VT2 должен измениться на величину ±Е (напряжение база—эмиттер в статическом режиме) по сравнению с потенциалом покоя. Следовательно, минимальная амплитуда входного сигнала, на которую реагирует рассматриваемый каскад, составляет Е/К, где К — коэффициент усиления каскада на транзисторе VT2. Для исследования каскада на рис. 7.13, в используется схема на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Схема для исследования выходного каскада

Рис. 7.15. Выходной двухтактный каскад с однополярным питанием

Возможны и другие схемы выполнения выходных каскадов, в том числе и с однополярным питанием. Одна из них приведена на рис. 7.15. Ее особенностью является то, что конденсатор Ск, включенный последовательно с нагрузкой Rn, после его зарядки до напряжения Е, равного напряжению на эмиттерах транзисторов в статическом режиме, работает в течение одного из полупериодов как источник питания.

В мощных выходных каскадах на базе эмиттерных повторителей короткое замыкание на выходе, как правило, приводит к выходу транзисторов из строя из-за превышения коллекторным током допустимого значения. Для защиты от коротких замыканий в эмиттерные цепи мощных выходных транзисторов включают небольшие ограничивающие ток сопротивления (несколько ом) или вводят дополнительные транзисторы, которые открываются только при больших токах нагрузки и, шунтируя входную цепь, ограничивают выходной ток на безопасном уровне. Одна из возможных схем защиты с помощью дополнительных транзисторов показана на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Выходной каскад с защитой от коротких замыканий

Схема защиты работает следующим образом. При коротком замыкании в нагрузке ток через сопротивление Ro увеличивается и создает падение напряжения, открывающее в соответствующие полупериоды транзисторы VT5, VT6. Оказываясь в режиме насыщения, они шунтируют входную цепь мощного усилительного каскада. В итоге входное напряжение ограничивается сопротивлением Ri и токи транзисторов VT3, VT4 не превышают значений, при которых они работают в номинальном режиме. Подобная защита имеет высокое быстродействие и обеспечивает надежную работу мощных усилительных каскадов. При ее введении обязательно наличие дополнительного резистора Ri, сопротивление которого выбирается, исходя из минимально допустимого значения сопротивления нагрузки предварительного усилителя, к которому подключается выходной каскад.

Контрольное задание

1. Путем подбора сопротивления RI в схеме на рис. 7.14 установите зафиксированный приборами статический режим при R2=Rn=100 Ом. Определите коэффициент усиления каскада и максимальный входной сигнал, при котором он передается на выход без искажений (определяется визуально).

2. Составьте схему исследования выходного каскада (рис. 7.15) и проведите ее моделирование.