2.4.Принцип работы бестрансформаторного усилителя мощности

Рассмотрим особенности работы оконечных каскадов, приведенных на рис. 2.4. При емкостной связи оконечного каскада с нагрузкой необходим один источнике с напряжением, равным Е. Емкость конденсатора, С следует выбирать из соотношения

1/ _н C < R_н

где _н - нижняя граничная частота усиления. При выполнении этого условия напряжение на конденсаторе не успевает заметно измениться в течение периода колебаний усиливаемого сигнала, и его поэтому можно считать постоянным и равным 0,5 Е. Таким образом, последовательно с нагрузкой как бы включается дополнительный источник питания с напряжением равным 0,5 Е.

При положительной полуволне входного сигнала в схеме рис. 2.4 а, открывается верхний транзистор VT1 и ток от источника питания проходит по цепи: плюс источника питания Е, коллектор-эмиттер транзистора VT 1, конденсатор С, R_н, минус источника питания Е. При отрицательной полуволне входного синусоидального сигнала транзистор VT1 закрыт. Роль источника питания выполняет конденсатор С, напряжение на котором равно 0,5Е. Ток в этом случае проходит по следующей цепи: положительная обкладка конденсатора С, эмиттер-коллектор транзистора VT2, R_н, отрицательная обкладка конденсатора С. Во время отрицательного полупериода ток от источника питания не потребляется. Стабилизация средней точки усилителя мощности с емкостной связью нагрузки вызывает большие трудности, чем в каскадах с непосредственной связью. По этой причине в усилителях мощности чаще применяется гальваническая связь нагрузки с источником питания. Нижняя граничная частота в таких усилителях мощности определяется только емкостями конденсаторов на входе усилителя и в фильтре выпрямителя. Для обеспечения симметрии плеч оконечного каскада в нем лучше применять комплиментарные транзисторы, так как в такой схеме оба транзистора включены по схеме ОК.

При правильном выборе управляющих сигналов в схемах рис. 2.4 ток .

В свою очередь, ток I_к = f (U_эб). На рис. 2.5 приведена зависимость I_к=f(U_эб), которую называют также проходной динамической характеристикой. Эта характеристика хорошо аппроксимируется отрезком прямой:

,

где S — крутизна транзистора, мА/В.

Для работы в режиме В напряжение смещения должно выбираться равным Е_бэo. Тогда при входном напряжении, равном нулю, через транзисторы протекает ток покоя Iок (см. рис. 2.5), который заряжает конденсатор С до напряжения, равного 0,5Е. Эквивалентную схему для этого случая можно представить в виде рис. 2.7.

В этой схеме оба транзистора заменены эквивалентными резисторами, а конденсатор С заменен источником, напряжение которого равно 0,5Е.

Рис. 2.5. Проходная динамическая характеристика Рис. 2.6. Эквивалентная схема

усилителя мощности при U_вх = 0

В динамическом режиме каждое плечо двухтактного усилителя мощности можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из нагрузочного резистора, транзистора и источника, равного 0,5E. Это справедливо для всех схем, приведенных на рис. 2.4.

Рассмотрим работу усилителя мощности при синусоидальном сигнале на входе U_вх=U_msin(t).

Тогда, напряжение между базой и эмиттером транзистора

U_бэ = E_бэо + U_m sint.

Так как

I_к = S(U_бэ – E_бэо),

то получаем, что импульсы коллекторного тока

I_к1 = SU_m sin(t),

что справедливо в течение положительных полупериодов синусоидального сигнала. Аналогично можно получить выражение для тока второго транзистора

I_к2 = – SU_m sint.

Если транзисторы имеют одинаковые параметры, то ток в нагрузке

I_н = SU_m sint = I_кm sint.

В идеальном случае этот ток будет синусоидальным, так как не будет содержать высших гармоник.

Среднее значение тока потребляемого транзисторами VT1 или VT2 в течение одного полупериода в соответствии с разложением в ряд Фурье импульсов коллекторных токов

I_ср1 = I_ср2 = I_ср = I_кm/.

При анализе двухтактных схем оконечных каскадов широко используется принцип совмещения проходных динамических характеристик транзистора. Идеальная совмещенная проходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию с крутизной S, проходящей через начало координат см. рис. 2.7. Выходной ток при такой характеристике не будет искажен.

а) б)

Рис. 2.7. Построение сигнала на выходе усилителя мощности при идеальной совмещенной проходной динамической характеристике: а — идеальная совмещенная проходная динамическая характеристика; б — форма тока в нагрузке

Совмещенная проходная характеристика будет прямой только в том случае, если проходные динамические характеристики транзисторов идеальны (т. е. аппроксимированы отрезками прямых линий) и напряжение смещения Е_см=Е_бэо. Реальные характеристики нелинейные как при малых, так и при больших значениях коллекторного тока.

Если оконечные транзисторы работают без смещения, то из-за нелинейности их характеристик в области малых токов совмещенная проходная динамическая характеристика, будет нелинейная. В свою очередь, это приводит к искажению сигнала в нагрузке в области малых токов, которые иногда называют искажениями типа «ступеньки». Правильным выбором напряжения смещения можно устранить эти искажения. Для этого Е_бэо должно быть равно напряжению отсечки.