§ 21.9. Однотактные оконечные каскады усилителей

Требования к оконечным каскадам.. Оконечный каскад усилителя должен обеспечить требуемый уровень сигнала в нагрузке при допустимых линейных и нелинейных искажениях. При активной нагрузке оконечный каскад должен обеспечивать необходимую мощность сигнала, а при реактивной (например, емкостной) - необходимое выходное напряжение.

Оконечные каскады работают при высоком уровне сигнала, что вызывает необходимость использовать мощные УЭ с высоким потреблением энергии от источника питания. В этом случае важно снизить мощность, рассеиваемую на УЭ, и обеспечить их удовлетворительный температурный режим, получить более высокий к. п. д. и повысить экономичность усилителя. Получение в оконечном каскаде требуемых выходной мощности и к. п. д. при минимальных нелинейных искажениях достигается выбором типа УЭ, способа его включения и режима работы, а также вида межкаскадной связи.

Для получения наибольшего усиления по мощности УЭ включают с общим эмиттирующим электродом. Включение транзистора с ОБ позволяет снизить уровень нелинейных искажений. Однако получаемый меньший коэффициент усиления мощности требует большего усиления Б предоконечном каскаде усилителя. Включение транзистора с ОК обеспечивает согласование выходного сопротивления каскада с малым сопротивлением нагрузки. Электронные лампы в оконечных каскадах обычно включают с общим катодом, при котором обеспечивается возбуждение каскада сигналом с малой амплитудой.

Однотактные оконечные и предоконечные каскады по способу подключения входного сигнала и нагрузки подразделяются на трансформаторные и бестрансформаторные. УЭ обычно в них включают с ОЭ, ОИ, ОК. В однотактных каскадах УЭ работают, как правило, в режиме А, в двухтактных - в режимах А, В или С (см. §21.5).

Виды схем. Схемы однотактных оконечных каскадов усиления различаются типом и способом включения УЭ, видом цепей межкаскадной связи и выходного устройства. В качестве входных устройств используют обычные межкаскадные цепи. Выходные цепи оконечного каскада выбирают исходя из ряда требований. Выходная цепь должна рассеивать небольшую часть мощности, потребляемой от источника питания, и с небольшими потерями передавать мощность усиливаемого сигнала от УЭ в нагрузку. Выходная цепь должна обеспечить согласование фактического сопротивления нагрузки усилителя с оптимальной нагрузкой выходной цепи.УЭ.

Каскад с непосредственным включением нагрузки в выходной цепи УЭ (рис. 21.40, а) схемно прост, отсутствуют потери мощности и нелинейные искажения, вносимые выходным устройством. Однако при непосредственном включении нагрузки /?„ через нее протекает постоянная составляющая выходного тока, вследствие

. I-r-fH

Рис. 21.40. Схемы выходных каскадов с непосредственным включением на нагрузки и через разделительный конденсатор

чего значительна рассеиваемая мощность, невысок (около 20%) к. п. д. схемы.

В резисторном однотактном оконечном каскаде (рис. 21.40, б) нагрузка Rh подключается к выходному электроду УЭ через разделительный конденсатор Ср, который не пропускает через нагрузку постоянную составляюхцую тока УЭ. К. п. д. такой схемы мал (5-6%), поэтому такое включение целесообразно лишь при небольшой выходной мощности.

В однотактном оконечном каскаде с динамической транзисторной нагрузкой (рис. 21.41, а) в качестве нагрузки выходной цепи УЭ служит транзистор. Использование транзисторной нагрузки увеличивает коэффициент усиления, расширяет динамический диапазон, снижает уровень нелинейных искажений. Активным в схеме является транзистор VI, включенный с ОЭ, его нагрузкой служит транзистор V2. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОЭ /<н=/г21э/?~ ?Ех.н, где -сопротивление переменно.му току, равное сопротивлению параллельно соединенных выходного сопротивления Рвых, активного транзистора VI, нагрузки Rn и динамического сопротивления R коллекторной цепи VI. Динамическое сопротивление нагрузочного транзистора V2 равно его выходному

с ел

RI VV

/г* /

Рис. 21.41. Схемы усилительных каскадов с динамической нагрузкой на биполярных и полевых транзисторах

сопротивлению Я = Явъ1х2- Поскольку /?еых2 велико, коэффициент усиления К„ каскада высок.

Введение (с помощью невысокого сопротивления резистора Яг) местной ООС по току в нагрузочном транзисторе V2 повышает выходное динамическое сопротивление вых2, а следовательно, -- усиление каскада. Выходное сопротивление переменному току /?вых2 нагрузочного транзистора зависит от амплитуды выходного сигнала. Это позволяет компенсировать нелинейность характеристик активного транзистора VJ и уменьшить нелинейные искажения сигнала. Выходное сопротивление /?вых2 нагрузочного транзистора мало шунтирует нагрузку R, что позволяет повысить использование источника и уменьшить ток покоя, потребляемый активным транзистором. Режим работы нагрузочного транзистора V2 устанавливается и стабилизируется с помощью резисторов R3, R4, Rz и диода VD.

На рис. 21.41, б приведена схема усилительного каскада с динамической нагрузкой на полевых транзисторах. Активный транзистор VI включен с ОИ, а нагрузочный V2 с 03. По постоянному току оба транзистора включены последовательно. При таком включении транзистора V2 и наличии местной ОС за счет резистора R3 сопротивление динамической нагрузки, а следовательно, и коэффициент усиления каскада максимальны.

Схема выполняется на однотипных транзисторах, что улучшает температурную стабильность и облегчает выполнение каскада по интегральной технологии.

Однотактные трансформаторные каскады обладают более высоким к. п. д., который можно обеспечить соответствующим подбором коэффициента трансформации трансформатора при работе на нагрузку как с малым, так и большим сопротивлением. Однотактные оконечные трансформаторные каскады используются лишь в режиме А.

Мощность, отдаваемая УЭ, Р~=0,5/т вых™ вых- В режиме А при синусоидальном сигнале среднее значение за период выходного тока УЭ /ср=/о, а выходного напряжения - l/cp=Uo [здесь /о и Uo - ток и напряжение точки покоя (см. /ок и ок на рис. 21.21)]. Средняя мощность, потребляемая от источника питания, Ро = = /(;р(/сг = о- Разность потребляемой и отдаваемой нагрузке мощностей выделяется (рассеивается) на выходном электроде УЭ

Ргс=Ро-Р- (21-20)

Усилительный элемент выбирают так, чтобы его допустимая мощность рассеяния Ррасдоп (1,1-1.2)Ррас- При наличии трансформатора в выходной цепи УЭ часть мощности Р~ теряется в нем. С учетом к. п. д. трансформатора т)тр мощность, выделяемая в нагрузке, Л,=т)трР..

Для выходной цепи УЭ к. п. д.-

,) = Р/Ро = 0,5/„Bb.xfmbb,x of/o = 0.54/С , (21.21)

где i)=/m вых о 1 - соответственно коэффициенты использования тока и напря-и 5=/™ вых/f/o 1 жения питания.