Рис. 7.23.Принципиальная схема двухтактного усилителя
Для правильной работы схемы напряжения, возбуждающие оба транзистора, должны иметь одинаковые амплитуды и противоположные базы.
С учетом того что источники сигналов в общем несимметричны, имеется необходимость в применении симметрирующей схемы. Простой однако не единственной цепью этого типа является трансформатор, в котором вывод средней точки вторичной обмотки соединен с массой. Благодаря такому соединению потенциал этой точки относительно массы равен 0 В. Теперь, если мгновенная полярность сигнала на верхнем зажиме вторичной обмотки положительна, на нижнем зажиме она отрицательна и наоборот. В соответствии с этим, если напряжение u1 положительно, смещение в проводящем направлении транзистора Т1 уменьшается и убывает его коллекторный ток, т. е. напряжение на коллекторе понижается. В этом же самое время напряжение u2 является отрицательным и увеличивает смещение в проводящем направлении транзистора Т2, в результате чего его коллекторный ток увеличивается и напряжение на коллекторе также возрастает. Кроме того, если мгновенное напряжение на коллекторе транзистора Т1 минимально, то на коллекторе транзистора Т2 оно максимально. Это также означает, что средний вывод выходного трансформатора имеет отрицательный потенциал относительно коллектора транзистора и положительный по отношению к коллектору транзистора Т1. Поэтому напряжения, действующие на каждой половине первичной обмотки выходного трансформатора, находятся в фазе, суммируются друг с другом и создают переменное напряжение, значение которого в 2 раза больше, чем в случае одного транзистора. В условиях правильного согласования схемы с нагрузкой мощность, выделяемая в нагрузке, также в 2 раза больше.
Какие преимущества имеет двухтактный усилитель?
Хотя усилитель, созданный из двух включенных параллельно транзисторов, отдает в 2 раза большую мощность, чем усилитель на одном транзисторе, он все же не обладает многими преимуществами двухтактной схемы.
Одним из преимуществ, являющихся следствием распределения токов, является уничтожение постоянных составляющих в выходном трансформаторе. Это имеет важное практическое значение, поскольку отсутствие постоянной составляющей, насыщающей сердечник трансформатора, в значительной степени упрощает его конструкцию, а искажения, которые могли бы возникнуть в трансформаторе из-за протекания постоянной составляющей, исключаются.
Из анализа нелинейных искажений, вносимых двухтактной схемой, следует, что четные гармоники (вторая, четвертая и следующие, кратные частоте возбуждающего сигнала) вычитаются на выходе, и, следовательно, суммарные потери будут меньше. Отсюда следует, что при том же самом возбуждении, что и в однотактном усилителе, и при тех же самых заданных искажениях можно получить в 2 раза большую мощность по сравнению с мощностью однотактного усилителя.
В цепи питания двухтактной схемы вычитаются основная составляющая и нечетные гармоники возбуждающего сигнала. Благодаря этому в схеме не возникают паразитные обратные связи в цепи питания, а, кроме того, пульсации из источника питания не проникают на выход усилителя.
Очень важным преимуществом двухтактных усилителей является возможность их работы не только в режиме класса А, но также и в режиме класса В или АВ. В усилителе класса В транзистор Т2 (рис. 7.23) усиливает только первую половину периода входного напряжения и заперт во время длительности второго, положительного полупериода. Но именно в этот момент сигнал на базе транзистора Т1 отрицателен и усиливается транзистором. Оба усиленных колебания суммируются в выходном трансформаторе, в результате чего образуется колебание той же самой формы, что и на входе усилителя. Из-за того что в двухтактных усилителях класса В рабочие точки обоих транзисторов лежат вблизи области отсечки тока, мощность питания, а также мощность, рассеиваемая в усилительных элементах в отсутствие возбуждающего сигнала, являются очень малыми. Принимая во внимание возможность полного использования (возбуждения) транзистора, легко сделать вывод, что КПД усилителя этого типа очень высок. Теоретически он составляет 78 %, на практике в транзисторных схемах достигает примерно 75 %.
Может ли двухтактная схема работать без выходного трансформатора?
Да, если выходное сопротивление близко к оптимальному. При соответствующей конструкции схемы усилителя можно исключить выходной трансформатор. Благодаря этому значительно снизятся стоимость и габаритные размеры устройства, улучшится его частотная характеристика и уменьшатся нелинейные искажения.
Бестрансформаторные схемы чаще всего используют в транзисторных усилителях, исходя из более выгодных условий совместной работы транзисторов с малыми нагрузочными сопротивлениями. Бестрансформаторные усилители на лампах труднее реализовать из-за необходимости использования значительно больших сопротивлений нагрузки (несколько сотен ом или даже килоом).
Сначала рассмотрим ламповую бестрансформаторную схему, представленную на рис. 7.24.
Рис. 7.24.Бестрансформаторный двухтактный ламповый усилитель
Обе лампы, включенные последовательно, питаются анодным напряжением, в 2 раза большим, чем напряжение, требуемое для одной лампы. Нагрузка связана с лампами посредством конденсатора связи С. Для обеспечения нужной характеристики усилителя в диапазоне низких частот его емкость выбирается большой. При симметричном возбуждении обеих ламп схема работает, как двухтактный усилитель. Возбуждающие напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Их можно получить, используя входной трансформатор с симметричными, но изолированными друг от друга вторичными обмотками. В обсуждаемой схеме для инверсии (переворота) фазы входного сигнала используется нижняя лампа.
Сигнал на резисторе Rкимеет противоположную фазу относительно входного сигнала, однако, благодаря соответствующему подбору сопротивления, одинаковую амплитуду. Этот сигнал управляет верхней лампой двухтактного усилителя.
Бестрансформаторные транзисторные усилители чаще всего работают в режиме класса В. Из-за отсутствия выходного трансформатора напряжение на коллекторе непроводящего транзистора не увеличивается, в связи с чем может быть увеличено питающее напряжение. Это приводит к лучшему использованию транзисторов по напряжению и в результате к большей выходной мощности. Что касается способа управления, то чаще всего применяют трансформаторную или непосредственную связь.
Примером бестрансформаторного (со стороны нагрузки) транзисторного двухтактного усилителя с емкостной связью с нагрузкой является схема, представленная на рис. 7.25.
Рис. 7.25.Бестрансформаторный двухтактный усилитель при емкостной связи с нагрузкой
Принцип работы этой схемы очень похож на принцип работы ранее рассмотренной. Разница заключается в использовании входного трансформатора с двумя независимыми обмотками, обеспечивающими сдвинутые по фазе возбуждающие напряжения.
Значительное упрощение условий возбуждения достигается при использовании в двухтактном усилителе мощности транзисторов р-n-р и n-p-n (рис. 7.26).
Рис 7.26.Двухтактная схема с комплементарными транзисторами
В схеме такого типа симметричное возбуждение является излишним из-за противоречивых свойств транзисторов. Управляющий сигнал, поданный на базу одного транзистора, возбуждает его таким образом, что он будет проводить в то время, когда другой транзистор будет заперт. Поэтому работа в режиме класса В осуществляется без входного трансформатора. Недостатком схем этого типа является трудность получения достаточно высокой степени симметрии дополнительных транзисторов, что может быть причиной появления больших нелинейных искажений.