Двухтактный усилитель мощности

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.

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

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 +U_n и — U_n, обеспечивающие протекание выходных коллекторных токов i_K1 и i_K2 соответственно транзисторов VT1 и VT2, которые работают на одно сопротивление нагрузки R_H.
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.

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 и_вх (в режиме покоя) под действием напряжения смещения U_CM 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 1_Ъ0 равен нулю). При этом под действием напряжений +U_n и - U_n источников питания через транзисторы соответственно VT 1 и VT2 и сопротивление нагрузки R_H протекают приблизительно равные (в случае идентичности параметров транзисторов) коллекторные токи /_К10, 1_К20 покоя. Как видно из рис. 10.53, а, эти токи протекают через нагрузку R_H в противоположных направлениях, поэтому в нагрузке они вычитаются и ток через нагрузку R_H, а значит и выходное напряжение н_вых, в режиме покоя практически равны нулю.
При положительной полуволне входного напряжения и_вх (полярность напряжения и_вх (указана на рис. 10.53, а без скобок) переменная составляющая тока базы i_m транзистора VT 1 протекает по цепи: «+п_вх» — R2 — VT1 — R_H — _1_ — ^<<~^ивх^>>- Транзистор VT1 открывается и через нагрузку под действием напряжение питания +U_n протекает переменная составляющая тока коллектора ?_К1. В результате на нагрузке R_H выделяется положительная полуволна выходного напряжения п_вых. При этом (в режиме Б) базовый ток ?_Б2 через транзистор VT2 не протекает, так как входное напряжение и_вх 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 и_вх (полярность напряжения и_вх (указана на рис. 10.53, а в скобках) переменная составляющая тока базы ?_Б2 транзистора VT2 протекает по цепи: «+н_вх» — ± — R_H — VT2 — R3 — «-и_вх». Транзистор VT2 открывается и через нагрузку под действием напряжение питания - U_n протекает переменная составляющая тока коллектора ?_К2 транзистора в направлении, противоположном ?_К1. В результате на нагрузке R_H выделяется отрицательная полуволна выходного напряжения п_вых. При этом (в режиме Б) базовый ток ?_Б1 через транзистор VT1 не протекает, так как входное напряжение и_вх 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 н_вых. Поскольку транзисторы включены по схеме с общим коллектором, величина выходного напряжения н_вых усилителя практически равна величине входного и_вх. 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 U_CM, 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 U_CM, 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 Я_Э1 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 U_n. 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 U_n.
Бестрансформаторные усилители мощности в настоящее время выпускаются в виде интегральных микросхем, например: К174УН11, К174УН19.