Меню

Каскад усиления мощности выходной каскад

Каскад усиления мощности выходной каскад

СХЕМОТЕХНИКА ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

Выходные каскады на базе » двоек «

В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением ( от 100 Ом до 10,1 кОм ) с шагом 2 кОм ( рис . 3 ). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм ) мы в какой — то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС , а в другом (100 Ом ) — к схеме с замкнутой ООС .

Основные типы составных биполярных транзисторов ( БТ ) показаны на рис . 4. Наиболее часто в ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона ( рис . 4 а ) на базе двух транзисторов одной проводимости (» двойка » Дарлингтона ), реже — составной транзистор Шиклаи ( рис . 4б ) из двух транзисторов разной проводимости с токовой отрицательной ОС , и еще реже — составной транзистор Брайстона ( Bryston , рис . 4 в ).
» Алмазный » транзистор — разновидность составного транзистора Шиклаи — показан на рис . 4 г . В отличие от транзистора Шиклаи , в этом транзисторе благодаря » токовому зеркалу » ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков . Иногда транзистор Шиклаи используют с коэффициентом передачи больше 1 ( рис . 4 д ). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно получить и на полевых транзисторах ( ПТ ).

1.1. Выходные каскады на базе » двоек «. » Двойка » — это двухтактный выходной каскад с транзисторами , включенными по схеме Дарлингтона , Шиклаи или их комбинации ( квазикомлементарный каскад , Bryston и др .). Типовой двухтактный выходной каскад на » двойке » Дарлингтона показан на рис . 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 ( рис . 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания , то эти транзисторы будут работать без отсечки тока , т . е . в режиме класса А .

Посмотрим , что даст спаривание выходных транзисторов для двойки » Дарлингт она ( рис . 13).

Менее популярна в ВК схема Шиклаи ( рис . 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады , когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона , а нижнее — по схеме Шиклаи . Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично , что приводит к дополнительным искажениям . Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла , в качестве которого использован базо — эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис . 20.

Кроме рассмотренных » двоек «, есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости , а коллекторным током — транзисторами другой проводимости ( рис . 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах , например , Lateral MOSFET ( рис . 24) .

Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах ( рис . 30).

Из рассмотренных » двоек » наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи . Посмотрим , что может дать для такого каскада применение буфера . Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости , включенных параллельно ( рис . 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления . Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами . Посмотрим , что даст установка параллельного буфера на ее входе ( рис . 37 ).

Анализ таблицы позволяет сделать следующие выводы :
— любой ВК из » двоек » на БТ как нагрузка УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности ;
— характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало зависят от сопротивления источника сигнала ;
— буферный каскад на входе любой из » двоек » на БТ повышает входное сопротивление , снижает индуктивную составляющую выхода , расширяет полосу пропускания и делает параметры независимыми от выходного сопротивления источника сигнала ;
— ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным буфером на входе ( рис . 37 ) имеет самые высокие характеристики ( минимальные искажения , максимальную полосу пропускания , нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне ).

Выходные каскады на базе » троек «

В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры : » тройки » Дарлингтона , Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона , Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации . Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов ( рис . 39). На рис . 41 показан ВК с разветвлением каскадов : входные повторители одновременно работают на два каскада , которые , в свою очередь , также работают на два каскада каждый , а третья ступень включена на общий выход . В результате , на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы .

Читайте также:  Проектная электрическая мощность это

Схема ВК , в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона , изображена на рис . 43. Параметры ВК на рис .43 можно существенно улучшить , если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с » двойками » параллельный буферный каскад ( рис . 44).

Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис . 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис . 46 . На рис . 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи ( рис .4 д ) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А ( цепи термоста билизации не показаны ).

С целью устранения отмеченных выше недостатков схемы рис. 54 и упрощения схемы заменим входной эмиттерный повторитель параллельным повторителем , а резисторы R 1 ( рис . 53) разобьем на 2 резистора ( рис . 55). В точки соединения резисторов ( R 5, R 8 и R 6, R 9) подключим генераторы тока (9 мА ) н а транзисторах VT 1, VT 4. и получим схему изображенную на рисунке .

По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков , которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов , способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов . Варианты таких решений показаны на рис . 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия . На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5. 1,5 В , что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе . В первом варианте ( рис . 58 а ) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р — коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В ( падение напряжения на диоде ). Вторая схема ( рис . 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах . Аналогичные решения применяются и в силовых ключах .

Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное , на 10. 15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада . В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды . Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис . 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 ( рис . 59 ), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов . При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.

Ранее , с целью упрощения , вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения . Многие из рассмотренных схем , в частности , выходные каскады с параллельным повторителем на входе , не нуждаются в схемах смещения , что является их дополнительным достоинством . Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения , которые представлены на рис . 60 , 61 .

Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем : диф ференциальный каскад ( ДК ), отражатель тока (» токовое зеркало «), схема сдвига уровня , каскод ( с последова тельным и параллельным питанием , последний также называют » лома ным каскодом «), генератор стабильного тока ( ГСТ ) и др . Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ . Оценку параметров основных схем ГСТ ( рис. 62 — 6 6 ) сделаем с помощью моделирования . Будем исходить из того , что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК . Исследуем его свойства с помощью методики , аналогичной исследованиям ВК .

Рассмотренные схемы ГСТ — , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН . В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом ( ДК ) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру » токового зеркала » или , как его еще называют , » отражателя тока » ( ОТ ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона , Хафлера и др . Основные схемы отражателей тока приведены на рис . 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи ( точнее , близким к 1), так и с большим или меньшим единицы ( масштабные отражатели тока ). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3. 20 мА : Поэтому испытаем все ОТ при токе , например , около 10 мА по схеме рис . 68.

Читайте также:  Как узнать что магнитола мощность

Результаты испытаний приве дены в табл . 3 .

В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 — 7; № 2, с. 5 — 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06

Целью автора было построение усилителя мощности , пригодного как для озвучивания » пространства » во время прадничных мероприятий , так и для дискотек . Конечно , хотелось , чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался . Еще одно требование к нему — легкодоступность комплектующих . Стремясь достичь качества Hi — Fi , я выбрал комплементарно — симметричную схему выходного каскада . Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт ( на нагрузке 4 Ом ). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В . Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2×60 В . Схема усилителя приведена на рис . 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход . Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя .

А. ПЕТРОВ , Радиомир, 201 1 , №№ 4 — 12

Источник



Каскад усиления мощности выходной каскад

В многокаскадных усилителях последний (выходной или оконечный) каскад является каскадом усиления мощности, выделяемой в полезной нагрузке. При этом выходная мощность каскада УМ должна быть достаточной для приведения в действие нагрузки, подключенной в сего выходную цепь. Выходной каскад УМ должен максимально усиливать мощность усиливаемого сигнала при допустимом коэффициенте нелинейных искажений и более высоком КПД.

Различают однотактные или двухтактные выходные каскады УМ, которые могут собираться на мощных усилительных лампах, или на транзисторах, или на газоразрядных тиратронах.

Однотактные каскады усиления мощности. Такие УМ, работающие в режиме класса А, дают возможность отбирать в нагрузку выходную мощность полезного сигнала от долей ватта до 3 ÷ 5 Вт при электрическом КПД до 10 ÷ 30% и минимально допустимых уровнях нелинейных искажений в заданной полосе частот.

При этом оптимальная величина сопротивления нагрузки, включенной непосредственно в выходную цепь мощного каскада, выбирается, исходя из соотношений R а = R н = (2 ÷ 4) * R i — для триодных схем и R н = R а ≈ (0,1 ÷ 0,5) * R i — для каскадов УМ на. мощном пентоде или лучевом тетроде. При этом схемы таких каскадов УМ и методы их графоаналитического расчета .подобны ранее приведенным схемам усилительных каскадов напряжения (см. рис. 5, 7 и 8). Такие простейшие каскады УМ дают возможность усилить сигнал по мощности с минимальными нелинейными искажениями в широком диапазоне частот.

Существенным недостатком таких бестрансформаторных схем УМ является прохождение через нагрузку не только полезной переменной составляющей анодного тока, но и его постоянной составляющей, значительно уменьшая КПД каскада и требуя более высокого напряжения источника питания E а . Кроме того, для максимального использования полезной выходной мощности, которую может передать бестрансформаторный оконечный каскад во внешнюю нагрузку, необходимо соблюдать равенство оптимальной величины выходного сопротивления выходной цепи каскада УМ с величиной сопротивления внешней нагрузки R н , включенной непосредственно в эту цепь, то есть R вых = R н .

Однако на практике в большинстве случаев сопротивление нагрузки R н бывает меньше указанной выше оптимальной величины анодного сопротивления R а . Это объясняется тем, что в качестве внешней нагрузки в выходную цепь каскада УМ зачастую включается обмотка электродинамического громкоговорителя, электромагнитного реле, электродвигателя, электроконтактора, шагового искателя, самописца, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей головки, двухпроводная абонентская или фидерная линия и т. п., которые обладают небольшим сопротивлением (единицы, десятки, сотни Ом, единицы кОм).

Поэтому если R н R вых к-да , то внешняя нагрузка включается в выходную цепь каскада УМ при помощи выходного трансформатора, согласующего величину R н с оптимальной величиной выходного сопротивления каскада R вых к-да . При этом сопротивление внешней нагрузки, включенной во вторичную обмотку трансформатора, перерсчитывается в приведенное сопротивление его первичной обмотки, включенной в выходную цепь каскада, по следующей формуле:

где коэффициент трансформации

Более точно величину оптимального значения эквивалентного сопротивления каскада УМ можно определить графическим методом, пользуясь наиболее приемлемой нагрузочной линией на семействе анодных характеристик (рис. 14) выбранной мощной усилительной лампы, то есть отрезками об и оа в сбответствующих единицах измерения:

Читайте также:  Рамная мешалка расчет мощности

Таким образом, по переменной составляющей анодного тока оптимальная величина приведенного сопротивления анодной нагрузки R вых к-да может достигать от единиц до десятков и сотен килоом.

Пользуясь этим же графиком, по треугольнику авс можно определить полезную мощность в нагрузке

Коэффициент полезного действия у мощных трансформаторных каскадов УМ выше, чем у бестрансформаторных, так как ток покоя I а0 течет только через малое активное сопротивление первичной обмотки, минуя R н . При этом

где Ро = I а0 * E а — полная мощность в режиме класса А, расходуемая от источника питания.

Следует иметь в виду, что у однотактных трансформаторных каскадов УМ более узкая полоса частот, больше габариты, масса, выше стоимость, что отражает их недостатки.

На рис. 15 приведены типовые схемы однотактных трансформаторных каскадов УМ на мощном триоде (а) и лучевом тетроде (б), работающие в режиме класса А с автоматическим смещением рабочей точки.

В этих схемах назначение каждого элемента каскада УМ аналогично рассмотренным ранее схемам усилительных каскадов напряжения с анодной нагрузкой (рис. 6 и 8).

Как видно из графиков на рис. 16, для получения оптимальной величины полезной выходной мощности

необходимо на вход каскада УМ подавать входное напряжение с амплитудой |± U max | ≈ |— U c 0 |, снимаемое с предварительного усилительного каскада или с датчика входного сигнала. При этом нагрузочная линия должна проходить почти касательно к кривой допустимой мощности P а доп , не пересекая ее.

Поскольку в режиме класса А рабочая точка находится на середине прямолинейного участка входной динамической характеристики каскада, то этим обеспечивается условие работы с минимальными нелинейными искажениями сигнала.

У триодных каскадов УМ нелинейные искажения меньше, чем у каскадов УМ на пентодах или лучевых тетродах.

Однако в большинстве случаев электрический КПД каскада УМ в режиме класса А практические превышает 10 ÷ 15% для триодных схем и 15 ÷ 30% для мощных пентодных и лучевых тетродных схем.

Нужно иметь в виду, что в каскадах УМ с трансформаторным выходом при малой величине активного сопротивления его первичной обмотки ( r 1тр = десятки ÷ сотни Ом) анодное напряжение в режиме покоя лишь немного меньше напряжения источника питания E а , то есть

. для триодных схем ,

. для схем на пентодах или лучевых тетродах, имеющих дополнительную цепь экранной сетки.

Поэтому линия нагрузки по постоянному току на семействе статических анодных характеристик (рис. 16) идет очень круто, под большим углом

tmp66-3.jpg

В динамическом же режиме работы при подаче на вход трансформаторного каскада УМ синусоидального (гармонического) входного сигнала при оптимальном значении приведенной нагрузки R экв наибольшее напряжение E a макс между выходными электродами увеличивается почти в два раза (а иногда и более) по сравнению с U a0 . Это явление объясняется тем, что при убывании выходного тока к величине E а добавляется противоЭДС индуктивности первичной обмотки трансформатора, задерживающей процесс убывания анодного тока. Поэтому в динамическом режиме работы такого каскада УМ нагрузочная линия по переменной составляющей анодного тока определяется величиной R экв и E а макс > Е а и, проходя через ту нерабочую точку, через которую проходит линия нагрузки по постоянному току, имеет значительно меньший угол наклона (рис. 16)

При расчете максимальной выходной мощности трансформаторного каскада УМ, учитывая КПД трансформатора, определяют по заданной величине необходимой полезной мощности в нагрузке P полезн необходимую величину выходной мощности каскада, а именно:

Затем выбирают усилительную лампу, у которой допустимая мощность, рассеиваемая анодом, P а доп ≥ 6 P вых к-да для триода и а P а доп ≥ 4 P вых к -да для.пентода или лучевого тетрода. При этом напряжение на аноде в режиме покоя принимают равным U а0 = (0,7 ÷ 0,8) * U a доп , а величину тока покоя берут равным

Полезная мощность, выделяемая в нагрузке, будет равна P полезн = η тр * P вых к-да = 0 ,5 η тр * I ma * U ma = 0,5 η тр * I 2 ma R экв .

Отсюда можно определить коэффициент трансформации

Коэффициент усиления каскада УМ по напряжению

Для учета потерь полезной мощности в выходном трансформаторе принимают величину его КПД в пределах, указанных в табл. 1.

В.Майоров, С.Майоров — Усилительные устройства на лампах, транзисторах и микросхемах

При перепечатке материалов ссылка на первоисточник обязательна.

Источник