Меню

Двухтактные усилители мощности класса ав



Двухтактные усилители

При работе транзистора в режиме A невозможно реализовать высокий к.п.д. усилителя. В качестве альтернативы может подойти режим работы B, но он приводит к значительным нелинейным искажениям. Однако если реализовать два усилителя, работающие в режиме B, и заставить их усиливать положительную и отрицательную полуволны синусоиды отдельно, а затем соединить эти полуволны вместе, то получится усилитель, работающий почти без искажений. Подобный усилитель получил название двухтактного усилителя. В иностранной (и переводной) литературе сохраняется старое название этой схемы — push-pull (тяни-толкай). Схема двухтактного каскада усилителя, реализованного на n-p-n и p-n-p транзисторах, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема двухтактного каскада на n-p-n и p-n-p транзисторах

Применение двух транзисторов позволяет им помогать друг другу. В приведенной на рисунке 1 схеме положительная полуволна синусоидального напряжения открывает транзистор VT1 и закрывает VT2. Отрицательная полуволна — запирает транзистор VT1 и открывает VT2. Таким образом каждый из транзисторов усиливает только половинку входного напряжения, однако на выходе, на сопротивлении нагрузки (в звуковых усилителях на динамике) эти половинки суммируются и форма входного напряжения восстанавливается. Временные диаграммы напряжений и токов в двухтактном усилительном каскаде приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 Временные диаграммы напряжений и токов в двухтактном каскаде

В приведенной схеме транзисторы включены по схеме с общим коллектором, поэтому коэффициент усиления двухтактного каскада по напряжению приблизительно равен единице. Такой каскад обычно используется совместно с каскадом предварительного усиления, собранного по схеме с общим эмиттером. Для упрощения схемы между каскадами применяется непосредственная связь (без разделительной емкости). В результате становится возможным для формирования напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2 воспользоваться коллекторным напряжением прыдущего каскада. Схема подобного усилителя с двухтактным каскадом на выходе приведена на рисунке 2.

Рисунок 3 Схема усилителя с двухтактным каскадом на выходе и непосредственной связью между каскадами

Следует отметить, что в схеме двухтактного усилителя, приведенной на рисунке 2, строго говоря используется не класс B, а класс C! Это вызвано тем, что точка перегиба входной характеристики кремниевого транзистора не соответствует нулю, а отстоит от него на 0,7 В. Для обеспечения режима B в двухтактном усилителе на базы транзисторов необходимо подать напряжение 0,7 В. Это можно сделать при помощи резистора, зашунтированного по переменному току конденсатором, однако для устранения влияния температурного ухода входной характеристики транзистора в качестве источника напряжения 0,7 В применяются кремниевые диоды (тем более, что их сопротивление переменному току при протекании постоянного тока близко к нулю). Схема двухтактного усилителя, в котором режим работы B обеспечивается кремниевыми диодами, приведена на рисунке 4.

Читайте также:  Причины потери мощности трансформатора

Рисунок 4 Схема двухтактного усилителя с формированием смещения на диодах

Следует отметить, что от выходного каскада звукового усилителя в основном требуется максимальная мощность. Обычно от одиночного транзистора не удается получить ток, достаточный для получения мощности 50 или 100 ватт. Поэтому в двухтактном усилителе применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона).

Еще одним недостатком схемы, приведенной на рисунке 3, является низкое входное сопротивление. Это обуславливается применением параллельной отрицательной обратной связи. Добавим еще один каскад для того, чтобы можно было применить последовательную отрицательную обратную связь. В результате получим схему усилителя звуковых частот, которая широко применялась в семидесятые годы XX века. Она приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 Усилитель мощности с двухтактным выходным каскадом на схеме Дарлингтона

В данной схеме при напряжении питания 12 В можно получить на нагрузке 4 Ом мощность до 3 Вт. Обращает внимание, что в этой схеме усилителя мощности смещение на двухтактный каскад формируется на транзисторе VT3. Это позволяет избежать применения четырех диодов и позволяет обеспечить плавную регулировку напряжения смещения двухтактного усилителя.

Дата последнего обновления файла 27.10.2017

Источник

Основы электроакустики

Нетрудно заметить, что, если точка покоя для каждого плеча выбрана вблизи нижнего загиба (в области малых токов), общая передаточная характеристика приобретает довольно протяженный линейный участок и в нем отсутствует плоский участок при малых UBX, порожда­ющий нелинейные искажения типа «ступеньки» Это соответствует некоторому промежуточному классу АВ. Ток покоя в этом случае сравнительно мал, что повышает КПД каскада по сравнению с классом А.

Типовые схемы двухтактного усилителя: слева – схема с дополнительной симметрией и справа – схема с обратной связью.

Класс АВ широко используется при построении транзи­сторных усилителей мощности. При нем малые сигналы усиливаются как в классе А, т. е. совместно обоими плечами двухтактного каскада. Однако большие сигналы усиливаются раздельно для положительной и отрицательной полуволны, что характерно для работы усилителей в классе В.

Читайте также:  Как можно снизить потери активной мощности

В принципе, можно не вводить сдвиг характеристик и выбирать рабочую точку исходного состояния каскада при практически нулевом токе. Это соответствует классу В работы каскада. При этом каждое плечо усилива­ет входной сигнал лишь одной полярности, а суммарная передаточная характеристика каскада, будучи суммой пе­редаточных характеристик двух плеч, имеет при малых U характерный плоский участок. Нетрудно показать, что временная зависимость выходного тока при этом имеет вид полупериодов синусоиды .

В трансформаторном каскаде трансформатор «собирает» выходной сигнал из двух его полупериодов, так что в первом приближении сигнал в нагрузке близок к синусоидальному. Разумеется, если при этом нет заметной асимметрии плеч. Временные диаграм­мы (за исключением учета ЭДС смещения в ламповых каскадах) практически идентичны для ламповых и тран­зисторных каскадов. Разумеется, для транзисторного кас­када суммирование полуволн выходного тока разной полярности происходит автоматически без приме­нения трансформатора.

Потребляемый ток каждого плеча при этом равен 1т/я, а амплитуда переменной составляющей тока Im. Так что при полной раскачке каскада (амплитуда напряжения на выходе Um равна напряжению питания каждого плеча Еп, мощность в нагрузке будетравнаРн=ит1т/2, а потреб­ляемая мощность P0=2ImEn/7i. Таким образом, КПД кас­када равен PH/P0=7i/4=0,78 (или 78%). КПД в рассмотрен­ном ранее классе АВ, естественно, несколько меньше этого предельного значения.

Итак, работа усилителя в классе В дает заметно лучшие энергетические характеристики, чем работа в классе А. Полученные для трансформаторного каскада энергетические параметры справедливы и для транзистор­ного каскада Но с точки зрения получения высокого качества усиления сигналов звуковых частот ситуация в классе В выглядит не очень благополучно.

Прежде всего, надо отметить, что в середине суммар­ной передаточной характеристики появляется характер­ный изгиб . Это резко увеличивает нелинейные искажения даже при малых уровнях входного сигнала. Они получили название искажений типа «ступеньки».

Читайте также:  Мотоблоки с валом отбора мощности прораб

Эти искажения очень коварны и хорошо заметны на слух. Если ток транзисторов падает до нуля, то дифферен­циальный коэффициент усиления усилителя с двухтакт­ным каскадом падает до нуля. При этом отрицательная обратная связь, охватывающая усилитель с таким каска­дом (если она есть), перестает функционировать и оказы­вается принципиально неспособной ликвидировать иска­жения типа «ступеньки».

Потребляемый ток в режиме В (немного в меньшей мере и в режиме АВ) сильно зависит от напряжения входного сигнала. Это ведет к изменению напряжения питания и возникновению характерных динамических искажений. В целом искажения в классе В заметно выше, чем в классе А или АВ. Поэтому для построения усилите­лей мощности для высококачественного воспроизведения используется класс АВ.

В классах АВ и В максимальная мощность рассеивается транзисторами вовсе не при максимальной выходной мощ­ности, а при несколько меньшей. А броски потребляемого тока при усилении сигналов речи или музыки затрудняют построение источников электропитания и вынуждают при­менять в них громоздкие электролитические конденсаторы большой емкости (десятки тысяч микрофарад).

Двухтактные каскады строятся по самым различным схемам. Есть трансформаторные схемы (широко применя­ются при построении ламповых каскадов), но чаще приме­няются бестрансформаторные схемы с непосредственным подключением нагрузки. Последние находят преимущественное применение при построении усилите­лей на транзисторах. Наконец, такие оконечные каскады могут строиться и как усилители переменного тока с разделительным конденсатором на выходе. Последний надежно защищает динамики от попадания на них посто­янного напряжения, но качество усилителей с непосред­ственной связью с нагрузкой обычно выше.

Простейшие транзисторные двухтактные каскады ред­ко используются в классе А. Дело в том, что транзисторы более чувствительны к температуре, чем лампы. Сильный нагрев их в классе А может вызвать тепловую неустойчи­вость, а ее устранение — дело довольно сложное. Поэтому транзисторные каскады обычно используются в классе АВ или В.

Источник