Каскады мощного усиления

Основное назначение каскадов МУ – это отдача в заданное сопротивление нагрузки в заданной мощности при допустимых уровнях нелинейных искажений и возможно большем КПД. При этом коэффициент усиления каскада (или каскадов) мощного усиления является второстепенным показателем, на первом же месте стоит получение необходимой мощности в нагрузке и максимального КПД при допустимых искажениях сигнала. Чем выше КПД, тем менее мощный транзистор нужен для получения требуемой мощи.

Выходные каскады бывают трансформаторными и бестрансформаторными. И те, и другие имеют свои плюсы и минусы. В умных книжках пишут, что применение согласующего трансформатора позволяет получить высокий КПД и низкие искажения. Трансформаторные двухтактные выходные каскады чаще всего используются в режиме класса АВ, при котором КПД превышает 50%. Зато бестрансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном частот, меньшими размерами и массой. Собственно на последних и остановимся.

Схем бестрансформаторных каскадов тьма, они отличаются видом проводимости транзисторов, способом их включения, режимом работы, видом связи с предыдущим каскадом и нагрузкой. Считается, что лучшими характеристиками обладают каскады, в которых используются транзисторы с различным видом проводимости и достаточно близкими значениями параметров - комплементарные пары (рис. 1). Если в каскаде используются транзисторы одного вида проводимости, то они называются квазикомплементарными парами и являются принципиально несимметричными. Для получения малого выходного сопротивления усилителя транзисторы выходного каскада включают по схеме .

Рис. 1 - Выходной каскад на комплементарной паре транзисторов

Режим транзисторов устанавливается, изменяя сопротивление между базами транзисторов. Для стабилизации способом термокомпенсации между базами включается элемент с отрицательным ТКС, например, термистор или полупроводниковый диод в прямом включении.

При включении транзисторов выходного каскада по схеме ОК коэффициент усиления напряжения всегда меньше единицы, поэтому амплитуда входного сигнала превышает амплитуду напряжения на нагрузке. Для получения высокого КПД максимальная амплитуда напряжения на нагрузке должна быть близка к половине напряжения питания. Применяют так называемую ПОС по питанию (рис. 2), при которой напряжение питания предыдущего каскада увеличивается на величину амплитуды выходного сигнала. 

Рис. 2 - Схема выходного каскада с ПОС по питанию

При положительной полуволне входного сигнала транзисторы VT1 и VT3 закрываются, а VT2 открывается. Напряжение на нагрузке R_н, обусловленное током разряда кондера C2, достигает максимального отрицательного (по отношению к отрицательному полюсу источника питания) значения. При этом напряжение питания предвыходного каскада (транзистор VT1) становится равным E+U_н. Когда транзистор VT1 закрыт, ток базы транзистора VT2 будет определяться суммой напряжений E и U_н, в результате чего транзистор VT2 будет полностью открыт. При отрицательной полуволне входного сигнала транзисторы VT1 и VT3 открываются, VT2 закрывается, а напряжение на нагрузке, обусловленное подзарядом кондера С2, меняет свой знак, и напряжение питания транзистора VT1 будет равно E-U_н. Уменьшение напряжения питания транзистора VT1 приводит к более полному открыванию транзистора VT3.

Если питание усилителя осуществляется от однополярного источника, то неизбежно прохождение через нагрузку постоянной составляющей, что ни есть гуд. Поэтому нагрузку втыкают через разделительный кондер (на рис. 2 это кондер С2). Однако при этом уменьшается полезная мощность в нагрузке и КПД каскада на НЧ, кроме того, увеличивается выходное сопротивление каскада на НЧ, ухудшается демпфирование громкоговорителя, увеличивается длительность нестационарных процессов в его подвижной системе, что проявляется, как "бубнение" на НЧ. Для устранения этих явлений емкость разделительного кондера выбирают из условия: С ≥ 1.5/(FнRн), где F_н - низшая воспроизводимая частота сигнала, R_н - сопротивление громкоговорителя. В итоге получаются кондеры с емкостью в тысячи и больше микрофарад на напряжение, равное напряжению источника питания, которое в мощовых усилках получается довольно нехилым. Соответственно, габариты таких кондеров получаются не такими уж маленькими.

Нагрузку можно втыкать другим способом - между выходом усилка и искусственной средней точкой, образованной двумя кондерами с равными номинальными емкостями. При этом рабочее напряжение может быть вдвое меньше (последовательное соединение).

В литературе частенько пишут, что для повышения мощности в выходных каскадах используют транзисторы по схеме ОЭ. Ну и для увеличения КПД выходного каскада, а это следствие повышения амплитуды сигнала на выходе, следует применять транзисторы с как можно меньшим напряжением насыщения. Можно снизить ток покоя, выбрав режим В. В реальности же чаще используют режим АВ.