Схемотехника выходных каскадов усилителей мощности на транзисторах

На заметку разработчику - Двухтактные и однотактные выходные каскады УМЗЧ на биполярных и полевых транзисторах

Выходные каскады транзисторных усилителей мощности могут быть реализованы в соответствии с несколькими схемотехническими решениями. Давайте рассмотрим наиболее распространённые из них, а также порассуждаем об основных плюсах и минусах того или иного построения.

1. Выходные каскады на биполярных транзисторах.

Рис.1

Каскад ОЭ-ОК на 3-ёх транзисторах одной структуры (Рис.1, слева), по большому счёту, можно исключить из рассмотрения по причине некоторой его архаичности. Подобная схемотехника выходных каскадов УНЧ применялась достаточно широко, но давно, и имела смысл лишь в условиях полного отсутствия либо дефицита мощных комплементарных транзисторов.
По своим характеристикам и свойствам данный тип выходных каскадов практически полностью аналогичен двухтранзисторному построению ОЭ-ОЭ (Рис.1, 2-ой слева).

Одним из главных преимуществ перед выходным каскадом ОК-ОК является то, что конфигурация ОЭ-ОЭ обладает усилительными свойствами не только по току, но и по напряжению, что снижает требования к предшествующим каскадам усиления и, как следствие, упрощает схемотехнику УМЗЧ. Источники тока в базовых цепях задают коллекторный ток покоя транзисторов. При положительной полуволне входного сигнала в усилении участвует нижний транзистор T2, который приоткрывается и тянет уровень выходного сигнала вниз (к минусу), а верхний транзистор T1 наоборот подзапирается. При отрицательной полуволне сигнала поведение транзисторов обратное.
Легко заметить, что данный выходной каскад (ОЭ-ОЭ) является инвертирующим, а его коэффициент усиления как по току, так и по напряжению определяется исключительно параметрами применяемых транзисторов и сопротивлением нагрузки.

Выходной каскад ОК-ОК (Рис.1, 3-ий слева) является неинвертирующим и осуществляет усиление сигнала только по току. Здесь при положительной полуволне сигнала в усилении участвует, на этот раз, верхний транзистор T1, а транзистор T2 закрывается. При отрицательной полуволне сигнала опять-таки - поведение транзисторов обратное.

Режимы работы усилительных элементов в перечисленных выше каскадах выбираются: A либо B, но чаще - AB.

Однотактный выходной каскад с трансформаторным включением нагрузки (Рис.1, справа) в современной транзисторном УНЧ-строении применяется крайне редко. Поэтому - не будем тратить на него своё драгоценное время, а сразу перейдём к сравнительному анализу двухтактных схем ОЭ-ОЭ и ОК-ОК.
А, учитывая то, что в последнее время биполярные транзисторы в НЧ усилителях также потеряли практическую актуальность и почти полностью уступили свои позиции полевикам, то и рассматривать мы будем каскады, построенные на мощных комплементарных полевых транзисторах.

1. Выходные каскады на полевых транзисторах.

Рис.2

На Рис.2 слева приведён каскад ОИ-ОИ (аналог выходного каскада ОЭ-ОЭ), посередине - ОС-ОС (аналог ОК-ОК), справа - однотактный каскад ОИ с источником тока в цепи нагрузки, главным идеологом которого является руководитель лаборатории "Pass Labs" Нельсон Пасс.

Наиболее часто используемой схемой при построении выходного каскада УМЗЧ является схема ОС-ОС.
А почему, собственно? Ведь мы помним, что данное построение осуществляет усиление сигнала только по току и имеет единичное усиление по напряжению, в отличие, скажем, от схемы ОИ-ОИ.
Для того, чтобы разобраться в этом вопросе - уровняем условия работы каскадов и переведём их посредством внешних цепей в состояние единичного Кu.

Далее измерим коэффициент нелинейных искажений двухтактных каскадов при выходной мощности 25Вт. Получаем следующие результаты:
1. Каскад ОИ-ОИ Кг = 1,3%,
2. Каскад ОС-ОС Кг = 0,9%.

Казалось бы - вот оно объяснение выбора большинства разработчиков. Однако торопиться не надо. Мы же читали статью (ссылка на страницу) и помним, что не столь важен общий коэффициент нелинейных искажений УНЧ (в ламповых Hi-End системах он составляет довольно значительную величину), сколь спектр гармоник этих искажений.
«Покажите мне график зависимости коэффициента искажений от частоты, и я скажу, как будет звучать усилитель», - написал Владимир Ламм, основатель и идеолог американской компании, занимающейся разработкой и выпуском звукового оборудования "Lamm Industries".
Ну что ж, давайте посмотрим на спектр гармоник:


Рис.3

На рисунке синим цветом изображён спектр гармоник каскада ОС-ОС (при подаче сигнала частотой 1кГц), красным - каскада ОИ-ОИ. Что мы имеем в сухом остатке?
1. Каскад ОС-ОС. Наибольший уровень имеет 2-ая гармоника, однако и 3-яя, вносящая наибольший диссонанс в звучание усилителя, хотя (в отличие от аналога на биполярниках) и меньше 2-ой, но всё равно - имеет значительную величину.
2. Каскад ОИ-ОИ, хоть изначально и имеет более высокое значение Кг, определяемое в значительной степени амплитудой 2-ой гармоники, однако уровень 3-ей - не только значительно меньше, чем у 2-ой, но и имеет более низкую величину, чем у каскада ОС-ОС.
К тому же возможность получить от данного каскада усиление не только по току, но и по напряжению позволяет ограничиться всего одним дополнительным каскадом усиления, охваченным вместе с оконечником общей цепью ООС, что с одной стороны, упрощает схему, а с другой, позволяет проще избавиться от пресловутого эффекта "транзисторного звучания".

Что касается однотактника Нельсона Пасса (Рис.2, справа), то здесь вообще всё очень красиво: 3-яя гармоника на 16дБ ниже 2-ой, 4-ая - ещё на 10дБ ниже, все остальные - находятся на уровне шумов и в учёт могут не приниматься. Всё в лучших традициях однотактных ламповых конструкций!