Двухтактные каскады с бестрансформаторным выходом

Выходной трансформатор имеет высокую стоимость, большие размеры и массу, вносит частотные и нелинейные искажения и передает энергию в нагрузку с потерями: КПД выходного трансформатора обычно лежит в пределах 0,7 - 0,95. Кроме того, трансформатор вносит большие фазовые сдвиги на краях рабочего диапазона частот, что препятствует охвату оконечного каскада глубокой обратной связью, так как нарушает устойчивость (приводит к самовозбуждению). Поэтому широко применяются также бестрансформаторные двухтактные каскады усиления мощности. В них нагрузка подключается к транзисторам непосредственно или через разделительный конденсатор.

Одна из схем двухтактного каскада без выходного трансформатора приведена на рис. 9а.

Рис.9

С двух одинаковых вторичных обмоток фазоинверсного трансформатора TI на входы транзисторов подаются два взаимно противофазных напряжения (их противофазность достигается перекрещиванием выводов одной из обмоток). Это обеспечивает поочередную работу транзисторов (режим В), так как исходное смещение не подается. В каждом плече применен свой источник питания с напряжением Еп/2 . Для обеспечения в соседние полупериоды взаимопротиположных направлений тока нагрузки Rн один из ее выводов подключен к разнополярным выводам источников питания. Другой вывод подключен к транзисторам. Пути токов в разные полупериоды показаны стрелками . Форма токов коллекторов, протекающих через источники питания плеч, соответствует i_к1 и i_к2 на рис.3в и г. Транзисторы включены по схеме с ОЭ.

Здесь источники питания плеч соединены последовательно и образуют один источник со средней точкой. Но ее можно не выводить, если последовательно с Rн включить конденсатор С достаточно большой емкости (рис. 9б). Работа каскада от этого не нарушится, так как протекает только переменный ток. Цепь нагрузки с конденсатором можно подключить не к средней точке источника, а к одному из его полюсов (рис. 9б).

В последней схеме напряжение источника Еп делится между транзисторами поровну. Поэтому разделительный конденсатор С заряжен до напряжения Еп/2 . Он выступает в роли источника питания в полупериод работы транзистора VT2 . в полупериод работы VТ1 конденсатор включается последовательно с источником Еп, а их напряжения вычитаются, и итоговое напряжение питания верхнего плеча Еп-Ес=Еп/2, т.е. такое же, как и нижнего плеча. Пути коллекторных токов показаны стрелками. Если включить делители напряжений из резисторов R1 - R4 для подачи начального смещения на транзисторы, то последние будут работать в режиме АВ или даже А.

Недостатком бестрансформаторных каскадов является то, что если Rн мало, то усиление каскада по напряжению, а значит, и по мощности, оказывается малым. Аналогичные потери усиления наб­людаются и в фазоинверсном каскаде, если он бестрансформаторный. Из-за пониженного усиления в бестрансформаторных усилителях приходится делать большее число каскадов, чтобы общий коэффициент усиления был равен требуемому.

Рис.9

Если на рис. 9 транзисторы взять взаимно противоположных типов прово­димости, так чтобы они соединялись эмиттерами, то получим схему рис.10 , не требующую фазоинверсного трансфор­матора TI. Здесь обоими транзисторами управляют одним и тем же входным напряжением. По своей структуре такой каскад является эмиттерным повторителем, и поэтому коэффициент пере­напряжению меньше единицы. Резистивный делитель R1-R4 служит для подачи начального смещения на транзисторы с целью перевода их в режим АВ. В качестве суммарного напряжения смещения двух транзисторов используется падение напряжения на R2+R3. Конденсатор С1 (как и С2) является разделительным. Во время работы напряжение на нем не изменяется, так как входной ток каскада (он в основном состоит из токов баз транзисторов) протекает в разные полупериоды в различных направлениях.

Контрольные вопросы

1. Расскажите, как работает каскад по схеме рис. 9 ,б.

2. Каковы преимущества и недостатки каскадов усиления мощности с бестрансформаторным выходом?

Дополнительная литература

1. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства. - М.: Радио и связь, 1992. С.123 - 129.

2. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.: Радио и связь, 1997. Телеком, 2001, С.136-143.

3. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1989. С.245 - 268.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

I. Краткое описание схемы лабораторного макета

Двухтактный каскад усиления мощности выполнен на низкочастотных германиевых сплавных транзисторах средней мощности типа П214, включенных по схеме с ОЭ. На схеме Т1 - фазоинверсный, а Т2 - выходной трансформатор, нагруженный на сопротивление нагрузки Rн=4 Ом.

Рис. 11

По постоянному току транзисторы включены по схеме эмиттерной стабилизации. Стабилизирующие резисторы R7-R9 создают отри­цательную обратную связь.

Переключатель S1 устанавливает режим работы каскада. В первых двух положениях он работает в режиме АВ, но в зависимости от положения переключателя меняется эквивалентное внутреннее со­противление генератора (источника) Rг входного сигнала, которое составляет 50 или 200 Ом. Выходное сопротивление звукового генератоpa ГЗ-109 (подключаемого к зажимам 1-2), пересчитанное к половине обмотки Т1, очень мало. Поэтому Rг приблизительно равно сумме R5 и добавочного сопротивления в цепи базы одного транзистора. В первом и втором положениях переключателя S1 смещение на базах транзисторов регулируется потенциометром R3. В третьем положении каскад работает в режиме А.

Для измерения тока, потребляемого коллекторными цепями, включен миллиамперметр РА. Он расположен на передней панели источника штанин. Рядом с ним находится вольтметр, показывающий напряжение питания Еп . К зажимам 5-6 подключается электронный вольтметр B3-41, измеряющий переменное напряжение на половине ТI обмотки выходного трансформатора. К зажимам 3-4 подключаются измеритель нелинейных искажений типа C6-1 и электронный осциллограф. За­жим 7 позволяет подавать на осциллограф напряжение с резистора R9, совпадающее по форме с суммарным током питания двух транзисторов.

2. Сравнение режимов В и АВ (изучение роли смещения)

1. Поставить переключатель S1 в положение 50 Ом.

2. Включить источник питания и другие приборы.

3. Установить на звуковом генераторе ГЗ-109 частоту 1 кГц, а его выходное напряжение таким, чтобы вольтметр B3-41, подключен­ный к зажимам 5-6, показывал 2,5 В.

4. Регулируя смещение транзисторов потенциометром R3, наблю­дать на осциллографе за изменением формы выходного напряжения.

5. Установить смещение, обеспечивающее минимум нелинейных искажений типа "ступенька".

6. Временно отключив штеккер кабеля генератора от гнезда входа макета, измерить (на пределе измерения 150 мА) и записать оптимальное значение тока покоя коллекторов.

7. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения при минимальном и оптимальном смещении (при зарисовке здесь и в дальнейшем на экране надо уместить примерно 2 периода колебания).

3. Исследование влияния Rг на нелинейные искажения

1. Включить Rг = 50 Ом (S1 в положении 50). Установить выходное напряжение на ГЗ-109 таким, чтобы вольтметр B3-41 на зажимах 5-6 показывал 3 В.

2. Наблюдать на осциллографе форму выходного напряжения. Регу­лятором смещения установить минимум "ступеньки" на осциллограмме. Убедиться, что скаты синусоиды близки к прямой линии. Это свидетельствует о наличии искажений, вызываемых нелинейностью входных характеристик транзисторов и проявляющихся ввиду малого Rг (50 Ом).

Зарисовать осциллограмму.

3. Включить Rг = 200 Ом и убедиться в отсутствии таких искажений.