3. Расчет выходного каскада

3.1. Выбор схемы усилителя мощности

Рассмотрим три схемы усилителя мощности:

1. усилитель мощности с токовым бустером (рис.3.1.1),

2. усилитель мощности с бустером напряжения, управляемый с выхода ОУ (рис.3.1.2),

3. усилитель мощности с бустером напряжения, управляемый по цепям питания ОУ (рис.3.1.3).

Рис. 3.1.1 Усилитель мощности с токовым бустером

3.1.1. Бустер тока, изображенный на рис. 3.1.1, имеет симметричное относительно земли питание , что позволяет непосредственно стыковать с ОУ и получать на заземленной нагрузке выходное знакопеременное напряжение.

Однотактовый эмиттерный повторитель, работающий в режиме, а имеет малые нелинейные и частотные искажения. Однако такие каскады имеют низкий КПД, низкую эффективность использования питающих напряжений .

Двухтактовый комплементарный эмиттерный повторитель, работающий в режиме В, имеет малое , высокий КПД, достигающий 78,5% при максимальном синусоидальном сигнале. Однако у него значительные нелинейные искажения, обусловленные нелинейной переходной характеристикой (при напряжении на базе, равном 0, транзисторы закрыты и открываются только при ).

Режим АВ в схеме достигается включением смещающих диодов в базовые цепи. Если диоды выбраны из того же полупроводникового материала, что и транзисторы, то падение напряжения на открытом диоде такое же, как и на прямосмещённом p-n переходе база-эмиттер транзистора, и составляет 0.7 В.

Источники тока , через диоды задают ток, превышающий амплитуду входного тока бустера и обеспечивающий открытое состояние диодов при любом входном сигнале.

Кроме функции смещения диоды обеспечивают термокомпенсацию бустера. При изменении окружающей температуры меняется напряжение транзисторов и одновременно падение напряжения на диодах, что улучшает термостабилизацию.

Резисторы , и транзисторы , обеспечивают защиту выходной цепи УМ от перегрузки по току. Транзисторы , откроются, если падение напряжения на резисторах превысит значение порядка 0.6 В.

3.1.2. Бустер напряжения, в отличие от бустера тока, обеспечивает дополнительное усиление по напряжению и позволяет получить на нагрузке сигнал, превышающий величины выходных токов и напряжений ОУ. На рис. 3.1.2 и 3.1.3 показаны две наиболее распространенных схемы.

Бустер напряжения (риc. 3.1.2) управляется с выхода ОУ. Транзисторы включены по схеме с ОЭ. Диоды обеспечивают смещение на базы транзисторов (задают режим АВ). Коллекторной нагрузкой транзисторов являются входные сопротивления мощных оконечных транзисторов .

Резистор обеспечивает местную последовательную ООС по напряжению в бустере, повышает стабильность работы и снижает нелинейные искажения.

Конденсатор компенсирует фазовые искажения в бустере.

Через резистор осуществляется общая ООС всего усилителя мощности. Схема включения ОУ не зависит от бустера и может быть инвертирующей, или не инвертирующей, или дифференциальной. Нелинейные искажения бустера в основном определяются разбросом параметров комплементарных пар транзисторов и .

Рис.3.1.2. Усилитель мощности с бустером напряжения, управляемый с выхода ОУ

Рис.3.1.3 Усилитель мощности с бустером напряжения, управляемый по цепям питания ОУ

3. Бустер напряжения, показанный на рис. 3.1.3, управляется по цепям питания ОУ.

Ток, потребляемый ОУ от источников питания, в основном определяется выходным каскадом ОУ, который, как известно, работает в режиме АВ и будет пропорционален величине выходного сигнала. Поэтому ток питания ОУ можно использовать для управления мощным оконечным каскадом.

Благодаря подключению к выходу ОУ резистора небольшого номинала () через оконечный каскад ОУ, а, следовательно, и в цепи питания ОУ протекает значительный ток, который управляет коллекторным током транзисторов , включенных по схеме ОБ. Это позволяет при небольших сопротивлениях резисторов в коллекторных цепях получить значительное по величине напряжение, управляющее мощными выходными транзисторами , включенными по схеме ОЭ. При использовании бустера напряжения выходное напряжение ОУ ограничено и не достигает максимальной величины. Поэтому подключение к выходу ОУ нагрузки меньше допустимой не вызывает перегрузки ОУ по току. Фаза сигнала на выходе совпадает по фазе с сигналом на выходе ОУ, т.е. такой оконечный каскад является не инвертирующим. Конденсатор , включенный в цепи отрицательной ОС, охватывающей бустер и выходной каскад ОУ, повышает устойчивость работы усилителя и формирует АЧХ в области высоких частот. Цепь питания ОУ, выполненная на транзисторах и стабилитронах , представляет собой параметрический стабилизатор напряжения, имеющий выходное напряжение , равное напряжению стабилизации .

На основании проведенного обзора, сравнения достоинств и недостатков вышеприведенных схем, следует отметить, что управление бустером по цепям питания имеет следующие преимущества:

а) меньше нелинейные искажения, так как каскад, включенный по схеме с ОБ, имеет более линейные характеристики;

б) частотные свойства транзисторов слабо влияют на полосу пропускания (схема с ОБ более широкополосная);

в) ОУ в схеме лучше защищен от короткого замыкания нагрузки бустера и пробоя оконечных транзисторов;

г) несколько упрощает схему отсутствие диодов смещения.

К дальнейшему расчету принимается схема бустера напряжения с управлением по цепям питания ОУ, показанная на рис. 3.1.3.