Усилитель класса B с автоматическим смещением

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2017

Pierre Corbeil

EDN

Для усилителей класса B характерны искажения типа «ступенька», возникающие в выходном каскаде, когда закрывается один транзистор и открывается другой. Для исключения таких искажений через оба транзистора должен протекать общий ток смещения, не позволяющий транзисторам в переходной области выключаться одновременно. Работа обычных цепей смещения основана на поддержании постоянной разности потенциалов между базами двух транзисторов. Требующие частой ручной подстройки, эти цепи в отсутствие сигнала поддерживают базовые напряжения двух транзисторов на границе порога включения. Такие схемы чувствительны к температуре и требуют определенной компенсации для предотвращения теплового пробоя, который может привести к повреждению схемы. На Рисунке 1 показан подход, в котором указанная проблема решается цепью автоматического смещения.

Рисунок 1.	Протекая через транзисторы Q1 и Q2, ток смещения не позволяет им закрываться одновременно.

В этом усилителе класса B ток смещения в режиме ожидания при отсутствии сигнала устанавливается резистором R₁. Ток эмиттера I_E транзистора Q₃ равен

где

V_CC – напряжение источника питания,
V_BIAS – постоянное напряжение на эмиттерах транзисторов Q₁ и Q₂,
V_BEQ3 – напряжение база-эмиттер транзистора Q₃,
V_BEQ1 – напряжение база-эмиттер транзистора Q₁.

Q₁ и Q₂ зеркально отражают этот ток, поскольку через Q₁ и Q₃ течет тот же базовый ток, что и через Q₂ и Q₄. Если предположить, что четыре транзистора идеально подобраны по параметрам и их базовые и коллекторные токи строго одинаковы, то эмиттеры Q₁ и Q₂ будут точно отражать ток резистора R₁.

Однако в этой схеме согласования параметров транзисторов не требуется. Если транзисторы не согласованы, либо Q₃, либо Q₄ будут находиться в насыщении, и ввиду того, что эффект отражения зависит от коэффициентов передачи тока транзисторов h_FE, различие токов смещения Q₁/Q₂ и тока резистора R₁ может быть значительным. Схема автоматически подстраивает напряжение на конденсаторе C₂ таким образом, чтобы компенсировать температурные изменения и производственный разброс характеристик транзисторов.

При наличии сигнала коэффициент усиления тока равен величине h_FE выходного транзистора Q₁ или Q₂ (точно так же, как в классическом усилителе класса B). Во время положительной полуволны сигнала ток нагрузки проходит через транзистор Q₁. Поскольку ток базы при этом увеличивается, Q₃ входит в насыщение. Во время отрицательной полуволны сигнала ток нагрузки проходит через Q₂, а насыщается транзистор Q₄.

а) б)
Рисунок 2.	Во время положительной полуволны сигнала ток в нагрузку течет из транзистора Q1 через конденсатор C1 (а), Во время отрицательной полуволны ток течет через транзистор Q2 (б).

На Рисунке 2 показан путь прохождения сигнала переменного тока. Максимальный средний ток нагрузки I_L равен току холостого хода, умноженному на коэффициент передачи тока транзистора Q₁ и на два. Операционный усилитель должен быть способен отдавать в Q₂ необходимый базовый ток I_B:

Рисунок 3.	Типичное применение схемы класса B в качестве усилителя наушников.

В типичном приложении такой усилитель класса B может отдавать 0.25 Вт в нагрузку 8 Ом (Рисунок 3). На Рисунке 4 изображен график общих гармонических искажений, измеренных в полосе частот от 45 Гц до 50 кГц при входном сигнале 1 В с.к.з. и сопротивлении нагрузки 8 Ом.

Рисунок 4.	Результаты измерения нелинейных искажений в схеме на Рисунке 3.

Материалы по теме