Выходные каскады

Схема двухтактного выходного каскада усилителя с составным транзистором в комплементарной паре

Рис. 13.32. Диаграмма работы двухтактного выходного каскада в режиме класса В: а — совмещенные входные характеристики двух плеч каскада; б — выходной сигнал каскада
транзистора и VT1 наиболее близки по параметрам, что исключает постоянное напряжение на выходе при U_BX = 0 и уменьшает искажение усиленного сигнала.
Отличительной особенностью кремниевых транзисторов, которые являются основой ИМС, является ярко выраженная нелинейность начального участка входной вольт-амперной характеристики (ВАХ), которая приводит к нелинейности и искажению выходной характеристики. Это особенно сильно влияет на форму усиленного сигнала при работе двухтактного усилителя в режиме класса В, когда возникают нелинейные искажения типа центральной отсечки. На рис. 13.32 в качестве примера показаны входные ВАХ транзисторов и диаграмма выходного сигнала для схемы двухтактного усилителя на рис. 13.31. Входной сигнал на участке 1 (рис. 13.32) не усиливается, т.е. в этот момент входной сигнал расходуется на переход транзисторов каждого плеча двухтактного каскада из режима класса В в режим класса АВ. В результате входной сигнал усиливается не весь, что ведет к искажению в виде «отсекания» его части в переходе с одного полупериода в другой по центру периода, т.е. выходной сигнал искажается. Такое искажение называют искажением «ступенькой», так как выходной сигнал действует прерывисто — ступенчато.

Рис. 13.33. Схема двухтактного выходного каскада усилителя, работающего в режиме класса АВ
Для исключения искажения типа центральной отсечки схемы выходных каскадов усложняют, переводя их в режим работы класса А В. Усложнения заключаются в построении специальных схем для задания первоначального напряжения смещения и положения рабочей точки транзисторов каждого плеча двухтактного каскада.
Схема выходного каскада на двух п-р-п- транзисторах (рис. 13.33), в которой транзистор VT1 включен по схеме с OK, a VT2 — по схеме с ОЭ, аналогична схеме на рис. 13.30.
За счет включения резистора R1 и диода VD1 создается смещение фиксированным током базы для транзисторов VT1 и для транзисторов VT1 и VT2 устанавливается режим класса АВ. Напряжение ?/_к,
также создает обратное смещение на диоде VD1. В результате VD1 закрыт, а транзистор VT1 находится в активном режиме. Между коллектором и эмиттером транзистора VT2 через R1 прикладывается напряжение от двух источников питания, равное ^КЭ2 ⁼ Щл ⁺ ^К2- В результате создается смещение косвенным методом и протекает слабый коллекторный ток через транзистор VT2 по цепи: + t/_K1 —> R1 —> VT2_K_₅_₃ —» R2 -> — U_K2. Падение напряжения на резисторе R1 уменьшает прямое смещение на эмиттер- ном переходе VT1 (?/_БЭ1 ⁼ Щц — t^j), следовательно, и на диоде VD1, приоткрывая его, а падение напряжения на резисторах R1 и R2 уменьшает напряжение на транзисторе VT2 (₂ = U_K] + U_K2 — — t/_R1 — U_R2) и токи через транзисторы уменьшаются. Таким образом, оба транзистора VT1 и VT2 работают в режиме класса АВ и через них по нагрузке протекают небольшие, равные по величине, токи противоположных направлений (/_Э1 и /_К2), а суммарный ток в нагрузке равен нулю.
При положительном входном сигнале ток транзистора VT2 возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1 и уменьшению прямого смещения на эмиттерном переходе транзистора VT1 и обратного смещения на диоде VD1. Через нагрузку возрастает ток /_К2 по цепи: +U_K2 -» R_H -> VD1 —» VT2_K__B_₃ -» -» R2 -» —U_R. Транзистор VT1 остается закрытым, так как падение напряжения на диоде VD1 за счет тока /_К2 создает на эмиттерном переходе VT1 обратное смещение (знаки «+» и «—» в скобках на рис. 13.33).
При отрицательном входном сигнале транзистор VT2 закрывается. Падение напряжения на резисторе R1 и диоде VD1 за счет уменьшения коллекторного тока VT2 (/_R2) уменьшается, что увеличивает прямое смещение на эмиттерном переходе VT1 и обратное смещение на VD1. Диод VD1 закрывается, а транзистор VT1 открывается и через него в нагрузку течет ток /_Э1. Амплитуды напряжения на нагрузке одинаковы при равенстве коэффициентов усиления. Так как транзистор VT1 включен по схеме с OK, a VT2 — по схеме с ОЭ, то выравнивание коэффициентов усиления происходит при Rl = R_H. Резистор R1 ограничивает ток коллектора транзистора VT2, и при равенстве Rl = R_H токи равны /_К2 = /_Э1.
В двухтактном выходном каскаде на комплементарной паре транзисторов VT2 и VT3 (рис. 13.34) используется основной транзистор п-р-п и дополняющий р-п-р, которые можно создать в ИМС при изоляции структур /?-я-переходом. Режим класса АВ в схеме задается с помощью предвыходного фазоинверсного каскада на транзисторе VT1, диодах VD1, VD2 и резисторе R, которые образуют схему делителя напряжения. Фазоинверсный каскад — источник противофазных напряжений для выходного каскада. Функции диодов VD1 и VD2 в реальном исполнении в ИМС выполняют транзисторы в диодном включении.

Рис. 13.34. Схема двухтактного выходного каскада усилителя на комплементарной паре, работающего в режиме класса АВ
Ток делителя напряжения /_д создает падение напряжения на диодах, которое создает прямое смещение на эмиттерных переходах транзисторов VT2 и VT3 и задает режим работы транзисторов. Поскольку падение напряжения на дифференциальном сопротивлении диодов мало, то транзисторы работают в режиме класса АВ. При положительном входном сигнале VT1 открывается и потенциал базы транзистора VT3 становится более отрицательным и равным U_K2- Транзистор VT3 открывается и ток нагрузки /_эз протекает по цепи: +U_K2 RH -» VT3₃__B__K -» — ?/_к2. При отрицательном сигнале VT1 закрывается, ток делителя и падение напряжения на резисторе R уменьшаются. Потенциал базы транзистора VT2 становится более положительным и равным + t/_K1 и транзистор VT2 открывается. Ток нагрузки /_Э2 протекает по це- пи: +?/_к1 -> Т2_к__б_э -» R_H ->? -U_Kl.
Поскольку параметры интегральных п-р-п- и /?-я-р-транзисто- ров существенно различаются, особенно коэффициент усиления по току (который можно устранить, введя ООС, охватывающую выходной и предвыходной каскады), то в схеме возникает асимметрия, что также приводит к искажению выходного сигнала. Подобную асимметрию можно устранить, применяя в выходных двухтактных каскадах (рис. 13.35) в качестве />-л-/7-транзисторов составной транзистор на комплементарной паре (VT4 и VT5, VT6), так же как в схеме на рис. 13.31. Для повышения мощности в выходном
каскаде также применяют составные транзисторы по схеме Дарлингтона (VT2, VT3 и VT5, VT6). В схеме выходного двухтактного каскада на составных транзисторах (рис. 13.35) можно получить большие мощности на выходе и повысить симметрию выходного каскада, что уменьшает нелинейные искажения.

Рис. 13.35.