Выходной каскад

ток покоя, термостабилизация

Выходной каскад усилителя может быть выполнен различными способами:
* На транзисторах разной проводимости. Обычно применяются так называемые "комплементарные транзисторы"- с разной проводимостью, но очень близкими параметрами.
* На транзисторах с одинаковой проводимостью
* На составных транзисторах
* На полевых транзисторах.

Питание выходного каскада также может быть как одно, так и двух- полярным (в последнем случае используется два источника напряжения, включенных в разной полярности относительно "Общего" провода.)

Упрощенные схемы выходного каскада приведены ниже:
Выходной каскад
Выходной каскад
Принцип работы выходного каскада на комплиментарных транзисторах довольно прост: при положительной полуволне сигнала (на рисунке закрашенный участок) работает верхний (по рисунку) транзистор, при отрицательной полуволне- нижний.
Для обеспечения одинаковых режимов работы на оба плеча требуется базовое смещение, причем подбирается оно таким образом, чтобы в точке подключения нагрузки (по схеме обозначено Rн) напряжение было ровно половина питающего.
При двухполярном питании это будет 0 Вольт, при однополярном питании- половина питающего.

Отсюда можно сделать важный вывод: при однополярном питании усилителя, для ограничения прохождения постоянного напряжения в нагрузку, требуется установка разделительного конденсатора.
При двуполярном питании желательна установка дополнительной защиты нагрузки от постоянного напряжения (например при неправильной регулировке или пробоя одного из транзисторов выходного каскада).

Работа выходного каскада на транзисторах с одинаковой проводимостью практически эдентична, но существенное отличие состоит в том, что при использовании одинаковых транзисторов требуется и одинаковый сигнал.

Напомним, что транзисторы структуры p-n-p открываются отрицательным напряжением, а p-n-p положительным.

Исходя из режимов работы выходного каскада все усилители условно разделены на несколько классов:
Класс А, класс В, и "смешанный" класс АВ.  Работа выходного каскада для каждого класса изображена на рисунке ниже:
Усилитель класса А.
Работает в линейном режиме: оба транзистора работают в одинаковых режимах. Это обеспечивает минимум искажений, но вследствии этого низкий кпд (15-30%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева. Потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности.

Усилитель класса В
К этому классу в основном относятся усилители с выходными транзисторами одинаковой проводимости. Каждый из транзисторов работает в ключевом режиме, т.е. усиливает только свою полуволну сигнала в линейном режиме (например положительную если применены транзисторы с N-P-N проводимостью). Для того чтобы усиливалась и отрицательная полуволна сигнала применяется фазоинветор еще на одном транзисторе. Это похоже на два отдельных класса А (для каждой полуволны свой). У усилителя такого класса высокий КПД (порядка 70%). Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, при отсутствии сигнала на входе она равна нулю. Усилители такого класса редко встречаются среди современных усилителей.

Усилитель класса AB
Наиболее распространенный вид усилителей. В этом классе объединены качества усилителей А и В класса, т.е. высокий КПД класса B и низкий уровень нелинейных искажений класса А. Здесь используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольт-амперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток (так называемый "ток покоя"), иногда значительный. И здесь возникает необходимость в регулировке и стабилизации этого тока таким образом чтобы транзисторы работали в одинаковых режимах не перегружая друг- друга. Неправильная установка тока покоя приведет к перегреву транзисторов и выходу их из строя.

Итак: для выходного каскада существуют два очень важных параметра (и особенно для класса АВ):
ток покоя и напряжение покоя
ток покоя: это коллекторный ток, проходящий через транзисторы оконечного (выходного) каскада при отсутствие сигнала.
Если- бы транзисторы имели идеальную характеристику (чего на самом деле не бывает), то ток покоя можно было- бы считать равным нулю. Реально- же ток коллектора может увеличиваться как и из-за разброса характеристик транзисторов так и от их температуры. Более того: повышение температуры может привести к лавинообразному перегреву и тепловому пробою транзистора. Дело в том что при увеличении температуры ток коллектора только увеличивается, а следовательно возрастает и нагрев транзистора.
напряжение покоя: постоянное напряжение в точке соединения транзисторов(выход на нагрузку). Оно должно быть равно "0" при двухполярном питании выходного каскада или половине напряжения питания при однополярном питании. Другими словами: оба транзистора выходного каскада должны иметь одинаковое базовое смещение, то есть открыты равномерно, компенсируя друг-друга.

Эти два параметра необходимо стабилизировать, и в первую очередь исключить их температурную зависимость.
Для этой цели в усилителях используется дополнительный транзистор, включенный баластным образом в базовые цепи выходных транзисторов.(причем чаще всего он размещается непосредственно на радиаторе рядом с выходными транзисторами тем самым контролируя их температуру).
классификация усилителей
интернет-магазин


немного теории