Двухтактный повторитель напряжения без начального смещения
Недостатком двухтактного повторителя, работающего в режиме класса В, является наличие существенных нелинейных искажений, вызванных видом передаточной характеристики. Нелинейность передаточной характеристики обуславливается нелинейностью начальных участков входных характеристик транзисторов, включенных в последовательную цепь сигнала между входом и выходом.
U_{ВХ}=U_{БЭ}+U_{ВЫХ}
Уровень нелинейных искажений будет тем больше, чем меньше амплитуда усиливаемого сигнала.
Временные диаграммы выходного напряжения при различных уровнях входного приведены ниже.
На последней диаграмме приведены зависимости токов транзисторов от входного напряжения. Приведен также график входного напряжения, который выполняет роль единичной прямой.
На диаграммах токов транзисторов (синий и красный графики) видно наличие участка диапазона входных сигналов, на котором оба тока силовых транзисторов близки к нулю. Ширина этого участка определяется удвоенным входным напряжением биполярного транзистора.
Для уменьшения нелинейных искажений применяют перевод каскада в режим класса АВ, близкий к В. Класс АВ формируется созданием небольшого начального токового смещения силовых транзисторов, которое, с одной стороны, незначительно ухудшает энергетические показатели, а с другой стороны, существенно уменьшает или устраняет участок диапазона входного сигнала с отсутствующими токами обоих транзисторов.
Существуют несколько способов формирования начального смещения.
Двухтактный повторитель напряжения с резистивным смещением
Простейшим вариантом перевода каскада в режим класса усиления АВ является установка резистивных цепей начального смещения на входе. При этом токи транзисторов (токи покоя) существуют даже при нулевом входном сигнале, что приводит к существенному уменьшению нелинейных искажений, как видно из графика передаточной характеристики, полученной при моделировании схемы.
Зависимость выходного напряжения от входного становится практически линейной.
Однако применение резистивного смещения не позволяет обеспечить стабильность начальных токов покоя транзисторов при изменении температуры.
Выбор токов покоя из условия работы каскада при минимальной требуемой температуре приводит к их недопустимому увеличению их при максимальной температуре. Кратность изменения токов может достигать нескольких десятков раз. Таким образом, при отсутствии входного сигнала оба транзистора оказываются открытыми и через них протекает достаточно большой сквозной ток. Связанное с этим выделение мощности на транзисторах приводит к их саморазогреву и дальнейшему росту тока.
В условиях недостаточного теплоотвода это может привести к перегреву и выходу транзисторов из строя.
Двухтактный повторитель напряжения с диодным смещением
Температурная стабилизация токов покоя выходных транзисторов может быть осуществлена применением термокомпенсации. Для этого два резистора цепи входного смещения заменяются диодами, имеющими тепловой контакт с выходными транзисторами. Симметричность воздействия температуры на входное напряжение транзистора и прямое падение на диоде позволяет существенно снизить кратность изменения входного тока с изменением температуры.
На графиках приведены зависимости токов транзисторов от входного напряжения при различных температурах. Из результатов моделирования видно, что токи покоя транзисторов (при малых входных сигналах) практически не зависят от температуры. Однако недостатком каскада является ограничение максимального выходного тока, связанное с невозможностью формирования базовых токов транзисторов от источника входного сигнала из-за направления включения диодов. Максимальное значение базового тока ограничивается резисторами входной цепи смещения (R4, R5) что приводит к ограничениям выходного тока и, соответственно, выходного напряжения. Уменьшение номинала этих резисторов увеличивает энергопотребление и ухудшает энергетические параметры каскада.
Устранение этого ограничения может реализовываться установкой дополнительной пары диодов, направление включения которых позволяет формировать базовые токи транзисторов от источника входного сигнала.
Из графиков видно, что ограничения токов выходных транзисторов отсутствуют во всем диапазоне изменения входного напряжения. Передаточная характеристика и временные диаграммы выходного сигнала приведены ниже.
Небольшая нелинейность передаточной характеристики вызвана особенностями формирования базовых токов транзисторов. Появление искажений происходит на тех же уровнях входного сигнала, где наблюдались ограничения токов в схеме без цепи дополнительных диодов. Искажения связаны с отпиранием дополнительных диодов и происходят на достаточно больших уровнях входного сигнала, поэтому коэффициент нелинейных искажений существенно меньше, чем в схеме без смещения. Такие искажения легко компенсируются введением отрицательной обратной связи (ООС).
Двухтактный термостабильный повторитель напряжения
Формирование механизма работы выходных транзисторов в режиме класса АВ может быть схемотехнически реализовано с использованием входных p-n переходов биполярных транзисторов. Схемотехническая реализация такого каскада приведена ниже. Попарное объединение транзисторов коллекторными выводами (которые обычно являются корпусом приборов) позволяет устанавливать их на единые радиаторы, обеспечивая условия хорошего теплового контакта и, следовательно, одинакового температурного режима. Наличие резистора R3 позволяет настраивать величину тока покоя изменением его номинала.
Особенностью каскада является наличие диода D1, который при больших уровнях входного сигнала позволяет сформировать цепи протекания базовых токов выходных транзисторов в соответствии со схемой Дарлингтона (составного транзистора) при обеих полярностях входного сигнала.
Так при положительном входном сигнале ток входного источника протекает через базо-эмиттерный переход транзистора VT3, диод D1, формируя базовый ток транзистора VT1. При отрицательном входном сигнале ток входного источника протекает через базо-эмиттерный переход транзистора VT4, диод D1, формируя базовый ток транзистора VT2. Таким образом, при обеих полярностях входного сигнала формируется цепь токового усиления сигнала из двух последовательных транзисторов, работающих по схеме с общим коллектором. Коэффициент усиления по току становится пропорциональным произведению коэффициентов передачи последовательно включенных транзисторов.
Временные диаграммы входного, выходного сигналов и передаточная характеристика приведены на графиках ниже.
Так же как и в предыдущей схеме передаточная характеристика имеет нелинейность в области больших уровней входного сигнала, связанную со способом формирования базовых токов выходных транзисторов. С точки зрения коэффициента нелинейных искажений данная схема и предыдущая примерно равноправны.
Передаточная характеристика, а также зависимости токов выходных транзисторов от напряжения входного сигнала (в области малых значений) при различных значениях температуры (-20℃, 30℃ и 80℃) приведены ниже.
Как видно из результатов моделирования, температурные изменения незначительны.
Двухтактный каскад с усилением по напряжению
Общим недостатком рассмотренных выше каскадов можно считать невозможность усиления сигнала по напряжению. При необходимости усиления сигнала может использоваться, например, следующее решение.
Структурно каскад представляет собой объединение двухтактного повторителя(VT1,VT2) с диодной цепью начального смещения и двух выходных транзисторов(VT3, VT4), работающих по схеме с общим эмиттером, а также цепи локальной отрицательной обратной связи (R6, R7).
Цепь отрицательной обратной связи, с одной стороны, определяет коэффициент усиления каскада по напряжению, а с другой — является нагрузкой входного двухтактного повторителя. Токи коллекторов двухтактного повторителя используются для формирования управляющих токов базы оконечных транзисторов VT3, VT4. Резисторы R4, R5 предотвращают режим работы выходных транзисторов «с оборванной базой» обеспечивая протекание неуправляемых коллекторных токов, минуя базо-эмиттерные переходы.
Выбор номиналов резисторов цепи обратной связи R6, R7 производится из условия, чтобы токами эмиттеров транзисторов VT1, VT2 можно было пренебречь по сравнению с токами резисторов цепи обратной связи. С другой стороны снижение номиналов этих резисторов создает дополнительную нагрузку на выходные транзисторы усилителя.
При соблюдении данных условий коэффициент усиления каскада по напряжению можно определить следующим образом:
Считая IR6 =IR7=IOC=UВЫХ/(R6+R7), можно записать, что UOC=UR7=IOC∙R7
U_{ОС}=U_{ВЫХ}\cdot\displaystyle\frac{R_7}{R_6+R_7}
Учитывая, что для двухтактного повторителя входное напряжение примерно равно напряжению в точке соединения эмиттеров, можно записать:
U_{ВХ}=U_{ОС}=U_{ВЫХ}\cdot\displaystyle\frac{R_7}{R_6+R_7} \Rightarrow K_U=\displaystyle\frac{U_{ВЫХ}}{U_{ВХ}}\backsimeq\displaystyle\frac{R_6+R_7}{R_7}=1+\displaystyle\frac{R_6}{R_7}
Временные диаграммы сигналов приведены на графиках
Передаточная характеристика и токи выходных транзисторов приведены ниже.
Влияние температуры (-20℃, 30℃ и 80℃) на стабильность параметров при малых значениях входного сигнала приведено ниже.
Во всем температурном диапазоне при отсутствии нелинейных искажений ток покоя выходных транзисторов не превышает 100 мА, что составляет менее 2% от максимального тока (5А).