Одна идея однотактного выходного каскада
Эта идея зародилась у меня в процессе дискуссии на Вегалабе где-то год-два назад в следующем виде: рис. 1.Если движок резистора R в крайнем нижнем положении – это обычный истоковый повторитель, нагруженный на источник тока (ИТ).
Максимальный выходной ток такой схемы равен току покоя Iо,
максимальная выходная мощность Pm = Uп * Iо / 4,
на оптимальном сопротивлении нагрузки Rн = (Uп/2) / Iо.
Если мы будем перемещать движок вверх, то ток ИТ на Q2 начнет в противофазе модулироваться током, протекающем через нагрузку. В крайнем верхнем положении движка модуляция будет максимальной.
Рассмотрим этот последний случай и посмотрим, что же это нам все дает?
Оказывается, дает много, а “что” сильно зависит напряжения смещения Q3.
Мне лично больше нравится, как играют биполяры, поэтому проанализируем схемку на их основе: рис.2.
Когда напряжение на базе Q3 значительно больше девиаций напряжения база-эмиттер Q3, вызванных изменением тока через нагрузку, напряжение на Ri меняется мало, и, следовательно, ток, потребляемый схемой, слабо модулируется сигналом.
Соответственно и ток через Q2 также практически не меняется, а просто перераспределяется между Q3 и нагрузкой. Очевидно, что искажения, при этом должны быть значительно меньше, чем если бы Q3 работал в режиме обычного ИТ.
Максимальный выходной ток и соответственно максимальная выходная мощность практически такая же, как и в случае с ИТ.
Отметим еще одно полезное свойство режима с большим Vb – высокая термостабильность тока покоя без принятия дополнительных мер.
Посмотрим, что же будет происходить при уменьшении напряжения Vb, когда девиации напряжения база-эмиттер Q3 станут с ним соизмеримы. Казалось бы ничего хорошего, по сравнению с предыдущим режимом:
- ток потребления начинает заметно зависеть от сигнала,
- возрастает доля нечетных гармоник,
- для обеспечения термостабильности тока покоя желательно ввести зависимость Vb от температуры.
Все плохо? Не совсем – оказывается, за счет изменения тока через Ri мы можем получить значительно больший выходной ток и соответственно большую максимальную выходную мощность.
Особенно интересен режим, когда падение напряжения на Ri (Uri) в покое численно равно разности
Ubeo – Ubec,
где
Ubeo – падение напряжения база-эмиттер Q3 при токе покоя
Ubec – падение напряжения база-эмиттер Q3 перед вхождением в отсечку, (например, при Ik = 20мА)
При этом, максимальный выходной ток почти в два раза может превышать ток покоя.
Другими словами, мы получили однотактный выходной каскад с КПД, как у двухтактного.
С дальнейшим уменьшением Vb максимальный выходной ток и, соответственно максимальная выходная мощность, начинают уменьшаться, а искажения расти. При заданном токе покоя минимальное значение Vb = Ubeo, и Ri = 0. То-есть мы возвращаемся к обычной схеме эмиттерного повторителя, нагруженного на ИТ, имеющей, к тому же, плохую термостабильность.
Для иллюстрации выше изложенного приведу пример симуляции работы схемы для
Uri > Ubeo – Ubec, рис.3
Uri = Ubeo – Ubec, рис.4 и
Uri < Ubeo – Ubec, рис.5.
Во всех случаях:
Vp = 36V; ток покоя Iо = 1,1А; Rн = 8 Ом; амплитуда входного сигнала 16V, частота 1кГц.
Транзисторы Q1 – BD139; Q2 и Q3 – MJE15032.
Обратите внимание, что на рис.3. выходной сигнал не входит в ограничение, несмотря на то, что управляемый ИТ на Q3 закрывается. Т.е. данный выходной каскад способен работать в так называемом «экономичном» классе А. Но этот режим и его особенности мы рассмотрим в следующий раз.
В заключение, приведу картинку токов и напряжений выходного каскада, рис.6.,
близкому к варианту, реализованному Сергеем Рубцовым в гибридном усилителе:
http://shemki.com/schemas/6C31B.jpg
Он отличается от варианта на рис. 3. только большим током покоя, (Io =2,2A), что решает все проблемы, кроме повышенного тепловыделения :).
