Особенности работы каскадов в режиме большого сигнала. Виды выходных каскадов.

Режим классаВ — это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис. 10.18).
В режиме классаВ транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки 0 = 90°. Углом отсечки называют половину времени периода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшаямощность,потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя, в пределах 60...70%. Режим классаВ применяется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы имел место линейный характер характеристик. В связи с этим режимкласса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (К_г≤10%)этот режим используетсяпреимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко.

Виды выходных каскадов:Однотактные,Двухтактные,Инверсные каскады.

Двухтактные схемы требуют подачи на вход симметричного напряжения сигнала. Поэтому для передачи сигнала с выхода однотактных схем на вход двухтактных используют специальные каскады, имеющие несимметричный вход и симметричный выход ; такие каскады называют инверсными. Инверсные каскады применяют не только для перехода от однотактной схемы к двухтактной, но также и для передачи сигнала от однотактного каскада к симметричной нагрузке, т. е. для работы на симметричную нагрузку. Простейшим инверсным каскадом является однотактный каскад с выходным трансформатором, имеющим симметричную вторичную обмотку; такие инверсные каскады довольно часто используют в транзисторных усилителях звуковых частот. В современных транзисторных и ламповых усилителях применяются также бестрансформагорные инверсные каскады

Схемотехника и энергетические показатели однотактных и двухтактных выходных каскадов.

Однотактные

Схемы усилительных каскадов, содержащие один или несколько параллельно включенных усилительных элементов, на вход которых подают одно входное напряжение сигнала, и с выхода которых снимают одно выходное напряжение, называют однотактными каскадами.

Транзистор и электронная лампа — трехполюсные устройства, у которых один из проводов входной цепи объединен с проводом выходной в так называемый общий провод. Потенциал сигнала на общем проводе относительно поверхности нулевого потенциала (земли) считают равным нулю, так как этот провод обычно соединяют с шасси (металлическим корпусом) прибора, имеющим относительно земли большую электрическую емкость. Поэтому входная и выходная цепи однотактных транзисторных и ламповых усилительных каскадов несимметричны относительно поверхности нулевого потенциала, т. е. однотактные транзисторные и ламповые каскады имеют несимметричные вход и выход.

Если необходимо сделать вход однотактного каскада симметричным, можно включить во входную цепь симметрирующий трансформатор с первичной обмоткой, имеющей две одинаковыеполовины точка соединения которых не имеет потенциала сигнала относительно общего провода (этого можно добиться, например, соединив ее с общим проводом). Точно так же можно сделать симметричным выход однотактного каскада, включив в его выходную цепь трансформатор с симметричной вторичной

Симметрирование цепей: а) симметрирование входной цепи трансформатором; б) симметри­рование выходной цепи трансформатором; в) симметрирование входной цапи эквивалентом входного сопротивления обмоткой. Однако симметрирование цепей трансформатором из-за сравнительно узкой полосы пропускаемых им частот невозможно в широкополосном устройстве. Даже и при полосе частот, которую трансформатор может пропустить, его использование для симметрирования часто нецелесообразно вслед­ствие больших размеров, веса и стоимости. Симметрировать входную цепь однотактного каскада можно и другим способом, теоретически пригодным для широкой полосы частот, включив последовательно с входной цепью сопротивление ZBx, имеющее те же активную и реактивную составляющие, что и входная цепь. Этот способ используют редко, так как, кроме бесполезной потери половины мощности входного сигнала, практическое осуществление симметрии такой цепи в широкой полосе частот очень затруднительно.

Двухтактные

Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента или две группы параллельно включенных усилительных элементов, работающих на общую нагрузку, ток сигнала в выходной цепи которых имеет противоположное направление, т. е. при синусоидальном сигнале сдвинут на 180°.

Простейшие двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада с объединенными общим проводом и источником питания, работающие в противофазе; эти однотактные каскады образуют плечи двухтактной схемы, симметричные относительно общего провода. Такие двухтактные каскады при использовании в них гальванической или резисторной межкаскадной связи позволяют осуществить малогабаритные и недорогие схемы с симметричными входом и выходом, имеющие очень широкую полосу рабочих частот.

Наличие одинаковых деталей в плечах двухтактной схемы позволяет многие из них объединить, а некоторые даже и исключить. Так, например, трансформаторы и дроссели плечей здесь объединяют в общий трансформатор или дроссель, поместив на общем сердечнике две одинаковые обмотки, включаемые в плечи каскада. В транзисторном каскаде с эмиттерной стабилизацией

Двухтактные каскады:

а) резисторный с транзисторами в режиме А с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией; б) резисторный ламповый в режиме А с общим катодом и катодным смещением; в) трансформаторный с транзисторами в режиме В с общей базой и смещением фиксированным напряжениемможно объединить резисторы эмиттерной стабилизации, включив один общий резистор Rb0 в общий провод эмиттеров; в ламповых каскадах с катодным смещением используют общий резистор RK0. Так как плечи двухтактной схемы работают в противофазе, одинаковые по величине и противополож­но направленные токи сигнала в общем проводе эмиттеров или катодов (при работе без отсечки тока в выходной цепи) компенсируются, напряжение сигнала на R30 и RK0 отсутствует, а потому эти резисторы при работе двухтактного каскада в режиме А не нуждаются в шунтировании конденсаторами Сэ и Ск большой емкости. В транзисторном двухтактном каскаде с входным трансформатором можно объединить делители, подающие смещение во входные цепи транзисторов.

Следует заметить, что двухтактные каскады с общим резистором эмиттерной стабилизации не допускают установки транзисторов в плечи без подбора, так как при различии параметров транзисторов коллекторные токи плечей могут очень сильно разниться, хотя суммарный ток коллекторов будет стабилизирован. Даже при подобранных транзисторах каскады мощного усиления с общим Ra0 работают неустойчиво, так как старение транзисторов и изменение их температуры нередко вызывают сильную разбалансировку выходных токов плечей схемы. Ламповые же двухтактные каскады с общим RK0 вследствие меньшего разброса параметров отдельных экземпляров ламп одного и того же типа и отсутствия влияния температуры на параметры работают устойчиво.

Большинство двухтактных каскадов, кроме симметричности входа и выхода, обладает другими полезными свойствами; в них компенсируются:

1) четные гармоники, вносимые усилительными элементами;

2) помехи (в том числе и фон), поступающие на каскад от источника питания и других источников помех;

3)нечетные гармоники тока сигнала в источнике питания и идущих от «его к каскаду проводах;

4)постоянное подмагничивание сердечника выходного трансформатора.

Компенсация четных гармоник позволяет использовать в двухтактных каскадах экономичные режимы (например, режим В), дающие большой процент четных гармоник и поэтому не всегда применимые в однотактных схемах.Компенсация помех увеличивает динамический диапазон усилителя и повышает допустимую переменную составляющую напряжения источника питания; последнее упрощает и удешевляет сглаживающие фильтры выпрямителей, питающих двухтактные каскады.Компенсация нечетных гармоник тока сигнала в источнике питания и его проводах снижает паразитную межкаскадную связь, что позволяет упростить и удешевить развязывающие фильтры усилителя. В самом каскаде при работе его без отсечки тока в выходной цепи это позволяет исключить блокировочные конденсаторы цепей питания, смещения и стабилизации и устраняет вносимые этими цепями частотные, фазовые и переходные искажения.Компенсация постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора позволяет повысить в нем переменную составляющую магнитной индукции, что сокращает размеры, вес и стоимость трансформатора. В ламповых усилителях каскады мощного усиления делают двухтактными обычно при выходной мощности свыше 3-5 вт.

Двухтактные схемы также применяют в каскадах мощного усилении широкополосных усилителей и в широкополосных выходных каскадах, работающих на симметричную нагрузку, когда использование трансформаторов невозможно из-за их ограниченной полосы пропускания.Во входных каскадах и каскадах предварительного усиления двухтактную схему применяют лишь в тех случаях, когда это необходимо из-за ее меньшей чувствительности к помехам, симметричности и других достоинств.