Всем доброго времени суток! В прошлом посте я рассказал про некоторые характеристики входных транзисторных усилителей включённых по схеме с общим эмиттером и с общим коллектором. Ниже я расскажу о выходных и предоконечных каскадах усиления на транзисторах.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Прежде всего, выходные каскады предназначены для создания необходимой мощности в нагрузке усилителя. Вообще же не всякий усилитель является усилителем мощности. Что бы усилитель считался таким необходимо, чтобы выходная мощность усиленного сигнала была сопоставима с мощностью, которую подводят от источника питания. Усилители мощность в большинстве случаев работают в режиме класса усиления B или AB, но встречаются также и выходные усилители работающие в классе А (особенно в маломощной переносной аппаратуре). Также выходные каскады усиления могут быть трансформаторными или бестрансформаторными, в зависимости от того, как они взаимодействуют с нагрузкой.

Предоконечные каскады служат в первую очередь для возбуждения выходных каскадов, так как в большинстве случаев усиления выходных каскадов не хватает. Также как и выходные каскады предоконечные могут быть трансформаторные и бестрансформаторые (резисторные и резисторно-емкостные), а также однотактные (класс усиления А) и двухтактные (класс усиления В и АВ).

Бестрансформаторные каскады

Начнём пожалуй с наиболее распространённых в настоящее время выходных и предоконечных каскадов – бестрансформаторных, которые в настоящее время наиболее распространены. Данные типы каскадов называют также каскадами с резисторной или резисторно-емкостной нагрузкой, так как нагрузка связана с транзистором через некоторое сопротивление или через дополнительный конденсатор, который убирает постоянную составляющую сигнала. Как уже упоминалось выше бестрансформаторные каскады работают в однотактном или двухтактном режиме.

Однотактный выходной каскад

Однотактные бестрансформаторные схемы выходных каскадов используют только режим усиления класса А. В таких каскадах нагрузка R_Н включается непосредственно в цепь коллектора или эмиттера транзистора. Данные типы каскадов имеют ограниченное применение: они используются в маломощных усилителях, где в качестве нагрузки используется головные телефоны («наушники») с сопротивлением 50 – 450 Ом и имеющие выходную мощность до нескольких милливатт.

Типовая схема однотактного бестрансформаторного каскада.

В качестве примера представлена типовая схема однотактного бестрансформаторного каскада с транзистором, включённым по схеме с ОЭ. Данная схема имеет усилительный транзистор (VT1) и телефон (BF1) в качестве нагрузки. Резисторы R_b1, R_b2, R_E и конденсатор С_E являются элементами цепей питания, а конденсатор С_P служит для связи с предыдущим каскадом.

Данный тип каскада усиления характеризуется следующими показателями: выходная мощность, электрический КПД, частотная характеристика.

Выходная мощность, которую может отдать данный каскад в нагрузку, зависит прежде всего от напряжения источника питания (Е₀) и сопротивления нагрузки (R_H), в качестве которой выступает телефон BF1. При этом ток покоя транзистора (I_C) не должен превышать 0,5 I_{C max}, а максимальное напряжение напряжения питания (Е₀) не превышать 0,5 U_{CЕ max}. Ориентировочно выходную мощность можно рассчитать по следующим формулам:

Электрический КПД усилительного каскада в режиме усиления класса А практически не превышает 0,25 – 0,475 и возрастает с увеличением напряжения питания.

Основные недостатки однатактного бестрансформаторного каскада являются низкий КПД и плохое использование транзистора по мощности в связи с чем данные типы каскадов применяются в маломощных усилителях до нескольких милливатт или в качестве предоконечных для возбуждения двухтактных оконечных каскадов.

Двухтактный выходной каскад

Двухтактные схемы выходных каскадов работают в режиме усиления класса В и АВ. Как упоминалось в предыдущем посте в классе усиления В и АВ транзисторы усиливают только одну полуволну сигнала, так вот, чтобы был усилен полный сигнал необходимо использовать как минимум два транзистора, каждый из которых усиливает свою полуволну. Для того чтобы происходило усиление обеих полуволн двухтактные усилительные каскады выполняют на транзисторах различной структуры (p-n-p и n-p-n), но параметры которых если не одинаковы, то довольно близки по значению и отличаются лишь на несколько процентов. Такие транзисторы называются комплементарными.

Типовые схемы двухтактного усилителя: слева – схема с дополнительной симметрией и справа – схема с обратной связью.

Среди двухтактных бестрансформаторных усилителей наибольшее распространение получила схема с дополнительной симметрией. В которой в качестве выходного каскада используются комплементарные транзисторы с ОК (VT2 и VT3) и предоконечный однотактный каскад (транзистор VT1). Резистор R1 является коллекторной нагрузкой VT1, а R2 используется для задания тока смещения (напомню, что при работе в классе АВ необходимо задать небольшой начальное напряжение смещения для избегания искажений). Конденсатор С_Р предназначен для связи выходного каскада с нагрузкой и разделения постоянной и переменной составляющей сигнала. Подбором сопротивлений резисторов R1 и R2 устанавливают напряжение симметрии в точке соединения транзисторов VT2, VT3 и конденсатора С_Р.

Обозначим параметры, которые характеризуют двухтактный бестрансформаторный каскад.

Выходная мощность двухтактных бестрансформаторных каскадов ограниченна прежде всего напряжением питания (Е₀) усилительного каскада и сопротивлением нагрузки(R_H). Снижение выходной мощности происходит, прежде всего, из-за параметров транзисторов выходного каскада, прежде всего это сопротивление насыщения транзистора в режиме большого сигнала (ΔЕ₀) и сопротивление в цепи эмиттера в случае использования составных транзисторов. Приблизительное значение выходной мощности и некоторых других параметров можно рассчитать по следующим формулам:

— максимальное значение выходной мощности:

— максимальный ток, протекающий через коллекторы транзисторов:

Электрический КПД данного типа выходного каскада в максимальном случае в классе усиления В составляет 0,785, однако в режиме АВ, за счёт задания начального тока покоя и за счёт падения напряжения на насыщении (ΔЕ₀) выходных транзисторов, он имеет несколько меньшую величину и возрастает с увеличением напряжения питания (Е₀).

Улучшение параметров выходного двухтактного каскада

Во всех транзисторных каскадах вообще и в двухтактном каскаде в частности возникают нелинейные искажения, которые зависят от многих факторов, а в частности от таких как нелинейность характеристик транзисторов и неполной симметрией плеч каскада. Чтобы уменьшить величину нелинейных искажений необходимо более тщательно подбирать транзисторы по величине коэффициента усиления, а также параметры самого каскада: режимы работы и применение отрицательной обратной связи.

Выходной каскад работающий в классе усиления B имеет значительно большие нелинейные искажения, чем каскад работающий в классе AB. Поэтому абсолютное большинство выходных каскадов работают в классе AB. Для установления такого режима работы необходимо создать некоторое напряжение смещения на базах транзисторов VT1 и VT2, которое зависит от величины сопротивления резистора R2. При этом уменьшается величина параметров P_вых.max и КПД каскада, поэтому величина тока коллектора транзисторов VT1 и VT2 не должна превышать 0,1 i_{C max}.

Для уменьшения зависимости параметров выходного каскада от изменения температуры довольно часто вместо резистора R2 включают диоды или терморезисторы. В этом случае ток покоя выходных транзисторов устанавливается экспериментально: в случае, когда необходимо увеличить ток покоя последовательно с диодом включают резистор, а в случае, когда необходимо уменьшить ток покоя резистор ставят последовательно с диодом.