Выходные каскады усилителей

Однотактный выходной каскад класса А

Однотактный выходной каскад класса А показан на рис.17.1. Каскад выполнен по схеме с ОЭ. К особенностям выходного каскада относится то, что он, во-первых, должен обеспечивать максимальную выходную мощность, т.е. работает близко к границе допустимой области и, во-вторых, от них не требуется высокой точности, т.к. возникшая ошибка не будет усиливаться дальше. В этой связи в усилителе отсутствует сопротивление эмиттера, что повышает выходной ток.

На рис. 17.2 показаны временные диаграммы выходных напряжений и токов каскада. Рабочая точка (U₀,I₀) на нагрузочной прямой выбирается таким образом, чтобы расстояние от нее до границ рабочего сектора было одинаковое. При этом достигается максимальная выходная мощность. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: и . Из рисунка 17.2 видно, что амплитуда выходного напряжения не превышает половины напряжения питания, а амплитуда выходного тока не может быть более половины максимального тока коллектора.

Рис. 17.1 Однотактный выходной каскад класса А

Рис. 17.2 Временные диаграммы токов и напряжений

Коэффициент полезного действия усилителя однотактного каскада не превышает величины

. (17.1)

При этом при повышении нагрузки КПД становится еще меньше. Кроме того, не вся выходная мощность попадает в нагрузку. Причиной низкого КПД схемы является тот факт, что транзистор потребляет ток от источника питания независимо от величины входного сигнала.

Двухтактный выходной каскад класса В

Этот недостаток устраняется в двухтактном выходном каскаде, работающем в режиме В (см. рис. 17.3).

Рис. 17.3 Схема двухтактного каскада класса В

Рис. 17.4 Временные диаграммы токов и напряжений двухтактного каскада

В двухтактном каскаде применяются два одинаковых по параметрам транзистора с противоположной проводимостью. При нулевом сигнале на входе усилителя оба транзистора закрыты, и ток через них в нагрузку не течет. При положительном напряжении p-n-p-транзистор VT2 закрыт, а n-p-n-транзистор VT1 открывается и в нагрузку от положительного источника питания через транзистор VT1 протекает ток, создавая положительное падение напряжение. При отрицательном входном напряжении транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт, поэтому ток протекает через нагрузку, через транзистор VT2 к отрицательному источнику питания. Таким образом, каждый транзистор усиливает только одну полуволну: VT1 положительную, а VT2 отрицательную.

КПД такого каскада не превышает величины

. (17.2)

Так как транзисторы при малых напряжениях, по модулю меньших чем потенциал p-n-перехода , закрыты, то в усилителе существует зона нечувствительности, что приводит к нелинейным искажениям сигнала.

Двухтактный выходной каскад класса АВ

Чтобы устранить нелинейные искажения, рабочие точки транзисторов выходного каскада устанавливают на границу между режимом отсечки и режимом насыщения.

Выходной каскад образуют транзисторы VT1, VT2. Напряжение смещения, поступающего в базы транзисторов, задается диодом VT3 и транзистором VT4. Это напряжение равно примерно . Связка диод-транзистор используется вместо двух прямо включенных диодов, чтобы уменьшить их дифференциальное сопротивление. Малое дифференциальное сопротивление нужно, чтобы входной сигнал одинаково усиливался как первым, так и вторым транзистором. Генератор тока задает ток через VT3, VT4 и эмиттерный повторитель VT7. В схему встроена защита от короткого замыкания на выходе: , , VT5, VT6. Если выходной ток небольшой, то падения напряжения на резисторах , недостаточно, чтобы открыть транзисторы VT5, VT6. При большом положительном токе через нагрузку падение напряжения на увеличивается, открывается VT5 и ток базы уменьшается. В результате эмиттерный переход транзистора VT1 закрывается сильнее, его сопротивление возрастает и ток через нагрузку перестает расти. Аналогично работает защита в транзисторе VT2 при увеличении отрицательного тока через нагрузку.

Рис. 17.5 Двухтактный выходной каскад класса АВ

При повышении входного напряжение на выходе эмиттерного повторителя повышается. В результате напряжение в базах транзисторов VT1, VT2 возрастает, следовательно, VT1 открывается, а VT2 закрывается, поэтому ток течет от положительного источника питания через VT1, в нагрузку . При понижении выходное напряжение эмиттерного повторителя уменьшается, поэтому напряжение в базах VT1, VT2 понижается. Транзистор VT1 закрывается, VT2 открывается, и ток течет через нагрузку , сопротивление, VT2 к отрицательному полюсу источника питания.