Виды усилителей

Трансформаторные усилители напряжения

    В трансформаторных усилителях в коллекторную цепь транзистора включается первичная обмотка трансформатора (рис.8). Ввиду малого сопротивления этой обмотки постоянному току (единицы или несколько десятков Ом) в режиме покоя, т. е. при отсутствии переменного входного сигнала, на ней создается небольшое напряжение, и напряжение коллектора практически равно напряжению — G_K. Переменное входное напряжение создает переменную составляющую коллекторного тока и магнитный поток в сердечнике трансформатора.
Под действием магнитного потока в обмотках трансформатора наводятся переменные ЭДС с частотой сигнала.
Со вторичной обмотки переменное напряжение подается к нагрузке усилителя.
При использовании повышающего трансформатора в таком усилителе можно получить большее усиление, чем в резисторном.
Вследствие малого падения напряжения на первичной обмотке трансформаторный усилитель имеет по сравнению с резисторным большой КПД.
Кроме того, применение трансформатора позволяет во многих случаях получить хорошее согласование сопротивления нагрузки с выходным (внутренним) сопротивлением усилителя.
Недостатками трансформаторного усилителя являются его большие
габариты и вес по сравнению с резисторным усилителем и уменьшение
коэффициента усиления на низких частотах (меньших 50 Гц).

 Резонансные и полосовые усилители

    В резонансных усилителях в качестве нагрузки используется параллельный колебательный контур (рис.9,а). Подбором элементов С и L контур настраивается на частоту усиливаемого сигнала. При этом для частоты сигнала сопротивление контура оказывается наибольшим, а для напряжения других частот — очень маленьким. Благодаря этому усиливается лишь напряжение одной частоты, а напряжения других частот подавляются.
    Ввиду того, что выходное сопротивление транзистора мало, применяется не полное, а частичное включение контура в коллекторную цепь. При этом уменьшается шунтирование контура коллекторной цепью транзистора (т. е. уменьшается влияние коллекторной цепи транзистора на качество контура, его добротность) и улучшается качество работы усилителя. С этой же целью на нагрузку подается не все напряжение колебательного контура, а лишь часть его.
    Вместо колебательного контура в коллекторную цепь может быть включен полосовой фильтр, состоящий, например, из двух индуктивно связанных контуров L1C1 и L2C2 (рис.9,б). В отличие от резонансного узкополосного усилителя полосовой усилитель осуществляет усиление сигналов, частота которых изменяется от некоторого минимального (fмин) До максимального значения (fмaкc).

 Трансформаторные усилители мощности

    Эти усилители предназначены для получения максимальной, мощности переменного тока в нагрузке усилителя при заданной амплитуде входного напряжения и допустимых искажениях выходного напряжения. Усилители мощности могут выполняться по однотактной. и двухтактной схемам. Для удобства согласования выходного сопротивления усилителя с нагрузкой ее подключают через выходной согласующий трансформатор. Пря этом схема однотактного усилителя мощности аналогична схеме трансформаторного усилителя (см. рис. 8).
    Недостатком однотактных усилителей мощности является то, что они имеют низкий КПД (до 30 %). Поэтому для получения больших мощностей усилители обычно выполняют по двухтактным схемам. Двухтактный усилитель содержит как бы два однотактных усилителя, работающих на общую нагрузку, и имеющих общий источник питания.
    Схема двухтактного трансформаторного усилителя приведена на рис.10.

Рассмотрим, как работает такой усилитель, если на его вход подается сигнал в виде переменного напряжения синусоидальной формы (рис.11,а). Во вторичной обмотке входного трансформатора это напряжение разделяется на два одинаковых напряжения, которые в противофазе подаются на эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 (рис.11,б,г). Таким образом, если на базе транзистора VT1 действует положительный полупериод входного напряжения, то на базе транзистора VT2 —отрицательный. Спустя полпериода полярность напряжений на базах меняется на противоположную. В исходном состоянии оба транзистора немного приоткрыты, благодаря небольшому отрицательному напряжению, подаваемому на базы с делителя R1R2.
   В течение действия положительного напряжения на базе транзистора VT1 он закрывается, и его коллекторный ток I_K1 оказывается близким к нулю (рис.11,в). В это время транзистор VT2 открывается, так как на его базе входное напряжение имеет отрицательную полярность, и его коллекторный ток I_K2 изменяется в соответствий с законом изменения отрицательного напряжения на базе (рис.11,д).
Через полпериода, наоборот, открывается транзистор VT1, а транзистор, VT2 закрывается, вследствие чего протекает импульс коллекторного, тока I_K1, а коллекторный ток второго транзистора I_K2=0. Через полпериода состояния транзисторов снова изменяются на противоположные и т. д.
   Коллекторные токи протекают через первичную обмотку выходного
трансформатора в противоположных направлениях, поэтому результирующий
ток первичной обмотки, равный разности коллекторных токов
I_K1 и I_K2 протекает в каждый полупериод входного напряжения и также
имеет синусоидальную форму (рис.11,е); Такую же форму будут
иметь ток и напряжение, создаваемые во вторичной обмотке выходного
трансформатора.
    Недостаток трансформаторного двухтактного усилителя громоздкость выходного трансформатора. В связи с этим наиболее распространенными
среди транзисторных двухтактных усилителей являются бестрансформаторные усилители.   

 Бестрансформаторные усилители мощности

    Схема простейшего двухтактного бестрансформаторного усилителя приведена на рис.12. Как и в трансформаторном усилителе на базы транзисторов VT1 и VT2 необходимо подавать напряжения одинаковой амплитуды, но сдвинутые по фазе, на 180°, т. е. противоположной полярности. Транзисторы VT1 и VT2 работают поочередно, и их коллекторные токи I_K1 и I_K2, протекая через нагрузку R_H, создают в ней переменное напряжение, совпадающее по форме с входным напряжением.
    Недостатком данной схемы является наличие двух источников питания (G_K1 и G_K2) и отсутствие общей точки у входов транзисторов VT1 и VT2, что вызывает дополнительные трудности для создания переменных напряжений U_БЭ1 и U_БЭ1. Схему можно значительно упростить, если в качестве транзисторов VT1 и VT2 применить транзисторы с разными типами проводимости и близкими параметрами (рис.13,а).

В этом усилителе входной сигнал поступает одновременно на базу транзистора VT1 типа р-n-р и на базу транзистора VT2 обратной проводимости (типа n-р-n). Начальное смещение на базы подается с резистора R2, входящего в состав делителя R1R2. Это смещение выбирается таким, чтобы напряжение эмиттеров (в точке а) равнялось половине напряжения источника питания G_K. Благодаря этому напряжение на конденсаторе С2 также равно половине напряжения G_K.
    При синусоидальном входном напряжении в течение положительного полупёриода транзистор VT1 закрывается, его коллекторный ток I_K1 уменьшается до нуля, а транзистор VT2, наоборот открывается «сильнее». Закрывшийся транзистор VT1 отключает источник питания G_K от транзистора VT2. Роль источника питания транзистора VT2 в этом случае начинает выполнять конденсатор С2. Под действием его напряжения через транзистор VT2 и нагрузку ВА протекает коллекторный ток I_K2.
    В отрицательный полупериод входного напряжения транзистор VT2 закрывается и его коллекторный ток I_K2 уменьшается до нуля. Транзистор VT1 открывается еще «больше» и его коллекторный ток протекает также через нагрузку, но уже в противоположном направлении. Таким образом, при синусоидальном входном напряжении через нагрузку протекает синусоидальный ток, создающий на ней напряжение синусоидальной формы.
    В рассмотренной схеме бестрансформаторного усилителя из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзисторов на начальных участках усиление при малых входных напряжениях значительно уменьшается, что приводит к появлению искажений. При усилении напряжения синусоидальной формы в местах изменения полярности напряжения появляются небольшие горизонтальные участки, образующие как бы ступеньку между положительным и отрицательным полупериодами результирующего тока (или напряжения), протекающего через, нагрузку (рис.13,б). Поэтому такие искажения получили название искажений типа ступеньки.
Для их уменьшения между базами транзисторов VT1 и VT2 включают резистор R3 (рис.13,в) с небольшим сопротивлением. За счет протекания по этому резистору тока делителя на нем создается небольшое напряжение, благодаря чему исчезают начальные нелинейные участки вольтамперных характеристик транзисторов и уменьшения усиления при малых входных сигналах не происходит. Для улучшений температурных свойств усилителя вместо резистора R3 включают полупроводниковый диод.
    Подобрать пару мощных транзисторов р-n-р и n-р-n с одинаковыми параметрами гораздо труднее, чем пару транзисторов одного типа проводимости (оба р-n-р или n-р-n). В связи с этим часто бестрансформаторные усилители выполняют двухкаскадными (рис.14).
В этой схеме VT1 и VT3 образуют составной транзистор p-n-p a VT2 и VT4 составной транзистор типа n-р-n. Транзисторы VT1 и VT2 рассчитаны на меньшую мощность, чем VT3 и VT4, поэтому их проще подобрать по параметрам. Нетрудно выбрать также транзисторы VT3 и VT4 с близкими параметрами, так как они оба p-n-p типа. На резисторах R4 и R5 создаются напряжения, которые подаются на эмиттерные переходы транзисторов VT3 и VT4 и задают необходимый режим работы выходных транзисторов. Изменяя сопротивления резисторов, можно добиться более полной симметрии плеч усилителя даже при значительных отклонениях параметров транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4.
Чаще всего это делается путем, подбора резистора R5.