Двухтактный бестрансформаторный каскад на составных транзисторах: теория, расчет и применение

На протяжении десятилетий инженеры-электроники стремятся к созданию идеального усилителя — устройства, способного максимально точно воспроизводить входной сигнал, не внося в него никаких искажений. В этом контексте двухтактные бестрансформаторные каскады на составных транзисторах являются одним из наиболее значимых достижений в области аналоговой схемотехники. Их актуальность обусловлена не только стремлением к улучшению качественных характеристик, таких как снижение нелинейных искажений и расширение частотного диапазона, но и необходимостью повышения энергетической эффективности, особенно в мощных усилителях.

Традиционные усилители, использующие выходные трансформаторы, сталкиваются с рядом проблем: трансформаторы вносят собственные частотные, фазовые и нелинейные искажения, ограничивают полосу пропускания и являются громоздкими и дорогими. Именно поэтому концепция бестрансформаторного усиления стала краеугольным камнем в развитии высококачественной аудиоаппаратуры и мощных промышленных устройств. В сочетании с составными транзисторами, которые позволяют достигать экстремально высоких коэффициентов усиления по току при относительно малых входных токах, двухтактные схемы обретают особую эффективность и гибкость.

Данная курсовая работа ставит своей целью глубокое исследование и структурированное представление информации о двухтактном бестрансформаторном каскаде на составных транзисторах. Мы рассмотрим теоретические основы их работы, детально проанализируем различные типы составных транзисторов, их характеристики и влияние на параметры каскада, представим принципиальные схемные решения и методы расчета, а также изучим передовые подходы к стабилизации режимов работы и минимизации искажений. Особое внимание будет уделено практическому применению этих каскадов в современной электронике, что позволит не только понять «как», но и «почему» эти решения столь широко распространены.

Теоретические основы двухтактных бестрансформаторных каскадов

Мир аналоговой электроники полон ingenious решений, направленных на эффективное преобразование слабых сигналов в мощные, сохраняя при этом их первозданную чистоту. В этом стремлении двухтактные бестрансформаторные каскады занимают одно из центральных мест, предлагая элегантный и мощный способ усиления.

Определение и принципы работы двухтактного каскада

В своей основе двухтактный каскад представляет собой искусное объединение двух однотактных усилительных каскадов, которые работают на общую нагрузку. Ключевая особенность заключается в том, что эти два плеча управляются взаимно противофазно одним и тем же усиливаемым колебанием. Представьте себе две «руки», которые поочередно толкают или тянут одну и ту же «качалку» (нагрузку), но делают это синхронно и в противофазе. В результате на нагрузке формируется знакопеременный сигнал, который является как бы суммой или, точнее, взаимным вычитанием выходных колебаний каждого плеча.

Переход к бестрансформаторному усилению стал революционным шагом. Исторически, выходной трансформатор был неотъемлемой частью мощных усилителей, обеспечивая согласование низкоомной нагрузки с высокоомным выходом усилительных элементов. Однако трансформаторы, будучи индуктивными элементами, неизбежно вносили:

• Частотные искажения: ограничивали полосу пропускания, особенно на низких и высоких частотах.
• Переходные искажения: вызывали фазовые сдвиги и ухудшали импульсные характеристики.
• Нелинейные искажения: гистерезис сердечника и нелинейность индуктивности приводили к появлению новых гармоник.
• Потери мощности: значительная часть энергии рассеивалась в обмотках и сердечнике.

Исключение выходного трансформатора из схемы позволяет значительно улучшить эти параметры, делая усилитель компактнее, легче и дешевле.

В простейшем варианте двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности (БУМ) реализуется на базе комплементарной пары транзисторов. Это означает, что одно плечо использует транзистор n-p-n типа, а другое – p-n-p типа. Эти транзисторы включаются последовательно, как правило, по схеме эмиттерного повторителя. Такой выбор обусловлен тем, что эмиттерный повторитель обладает малым выходным сопротивлением, что идеально подходит для работы с низкоомной нагрузкой (например, громкоговорителем).

Принцип работы комплементарной пары прост и изящен:

1. Положительная полуволна входного напряжения открывает транзистор одного типа проводимости (например, n-p-n, обозначим его VT₁). Ток протекает через него и нагрузку.
2. Отрицательная полуволна входного напряжения закрывает VT₁ и открывает транзистор другого типа проводимости (p-n-p, обозначим его VT₂). Ток протекает через него и нагрузку в обратном направлении.

Таким образом, знакопеременный сигнал на нагрузке формируется поочередной работой двух транзисторов.

Режимы работы двухтактного каскада определяются величиной тока покоя (тока, протекающего через транзисторы при отсутствии входного сигнала):

• Режим класса В (Class B): При нулевом входном напряжении коллекторные токи практически не протекают, и мощность на транзисторах и в нагрузке практически не рассеивается. Это обеспечивает высокий КПД, но приводит к появлению коммутационных искажений (так называемой «ступеньки») при переходе сигнала через ноль, поскольку оба транзистора одновременно закрыты в этот момент.
• Режим класса АВ (Class AB): Для минимизации коммутационных искажений двухтактный каскад часто переводят в режим класса АВ. Это достигается путем создания небольшого начального смещения на входах транзисторов, благодаря чему они находятся в слегка открытом состоянии даже при отсутствии входного сигнала. Небольшой ток покоя, протекающий через транзисторы, обеспечивает «перекрытие» их рабочих диапазонов, сглаживая переход через ноль. Это несколько уменьшает КПД по сравнению с классом В, но значительно улучшает линейность.

Варианты схем питания: Бестрансформаторный усилитель может быть реализован с одним источником питания (тогда для отделения постоянной составляющей от нагрузки требуется разделительный конденсатор большой емкости) или с двумя источниками питания (положительным и отрицательным), что позволяет исключить разделительный конденсатор на выходе, упрощая схему и улучшая ее низкочастотные характеристики. Последовательное включение транзисторов в схему, питаемых от двух источников, позволяет исключить трансформаторы, поскольку средняя точка нагрузки привязана к общему проводу или «земле».

Сравнительный анализ с однотактными каскадами

Исторический путь развития усилительной техники изобилует различными архитектурными решениями, каждое из которых имеет свои достоинства и ограничения. Сравнение двухтактных каскадов с их предшественниками — однотактными — позволяет в полной мере оценить преимущества первых.

Однотактные бестрансформаторные усилители мощности (БУМ) класса А являются эталоном линейности, поскольку усилительный элемент всегда находится в активном режиме, проводя ток на протяжении всего периода сигнала. Однако эта линейность дается высокой ценой:

• Низкий КПД: В режиме класса А усилительный элемент рассеивает значительную мощность даже в состоянии покоя (при отсутствии входного сигнала). Для однотактных усилителей класса А с резистивной нагрузкой без трансформатора КПД обычно не превышает 25%.
• Значительное рассеяние мощности: Из-за непрерывного протекания тока транзистор сильно нагревается, что требует массивных радиаторов и усложняет теплоотвод.
• Высокое выходное сопротивление: В большинстве однотактных схем.

Двухтактные каскады, в свою очередь, кардинально меняют эту картину:

• Увеличение отдаваемой мощности: Двухтактные каскады способны значительно увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку, по сравнению с однотактными. В теории, двухтактные усилители могут обеспечить двукратное возрастание мощности при прочих равных условиях, что делает их незаменимыми для мощных УМЗЧ.
• Компенсация четных гармоник: Это одно из важнейших преимуществ. Благодаря противофазному управлению плечами, двухтактные схемы по своей природе способны компенсировать четные гармоники (вторую, четвертую и т.д.), которые являются основным источником нелинейных искажений во многих усилительных элементах. Это приводит к значительному улучшению чистоты звука.
• Компенсация фона и помех от источника питания: Если оба плеча питаются от одного источника и работают симметрично, любые пульсации или помехи от источника питания будут вноситься в оба плеча примерно одинаково. Поскольку выходной сигнал формируется как разность сигналов плеч, эти синфазные помехи будут частично компенсироваться.
• Компенсация токов сигнала в питающих проводах: Это также способствует снижению помех и улучшению стабильности работы.
• Высокий КПД: Особенно заметно в режиме класса В (теоретически до 78%) и класса АВ (на практике от 40% до 70%, а при оптимальном токе покоя до 70-80%). Это резко контрастирует с КПД класса А, что делает двухтактные схемы гораздо более экономичными и пригодными для мощных применений.

Теоретически низкий уровень нелинейных искажений (К_г): Благодаря компенсации четных гармоник, двухтактные каскады могут достигать очень низких уровней искажений. Для высококачественного УМЗЧ коэффициент гармоник (К_г) менее 0,1% считается допустимым, однако существуют усилители с К_г до 0,002% на 1 кГц. Это подчеркивает потенциал двухтактных бестрансформаторных усилителей как основы для аппаратуры высокого класса.

Достоинства бестрансформаторных усилителей в целом:

• Высокие качественные показатели: Отсутствие трансформатора устраняет его искажения, что позволяет достичь более широкой полосы пропускания, лучшей переходной характеристики и минимальных нелинейных искажений.
• Перспективы для интегрального исполнения: Бестрансформаторные схемы легче интегрируются в микросхемы, поскольку не требуют громоздких индуктивных элементов. Это открывает путь к созданию компактных, мощных и высококачественных интегральных усилителей.

Ограничения двухтактных схем: Несмотря на множество преимуществ, двухтактные схемы не лишены недостатков. Главный из них – неполная компенсация искажений из-за разброса параметров транзисторов и допусков на детали. В идеальном мире, оба плеча каскада работали бы абсолютно идентично. Однако на практике всегда есть различия в коэффициентах усиления, вольт-амперных характеристиках и температурной зависимости транзисторов, а также в номиналах пассивных компонентов. Это приводит к тому, что компенсация четных гармоник, фона и помех от источника питания становится неполной, хотя и уменьшает их в 3-5 раз по сравнению с однотактными схемами. Борьба с этим разбросом и является одной из ключевых задач при проектировании высококачественных двухтактных усилителей.

Составные транзисторы в бестрансформаторных каскадах

На пути к созданию мощных и высоколинейных усилителей, инженеры столкнулись с ограничениями отдельных транзисторов, особенно в части коэффициента усиления по току. Решением стали составные транзисторы — умное схемотехническое решение, позволяющее значительно улучшить характеристики усилительных элементов.

Общие сведения о составных транзисторах

Составной транзистор — это не отдельный компонент, а скорее электрическое соединение двух (или более) биполярных, полевых или IGBT-транзисторов, спроектированное таким образом, чтобы работать как единый, улучшенный транзистор. Основное назначение таких схем — добиться характеристик, которые невозможно получить от одного транзистора, таких как сверхвысокий коэффициент усиления по току, повышенная мощность или специфические комбинации входных/выходных параметров.

К наиболее известным и часто применяемым составным транзисторным схемам относятся:

• Пара Дарлингтона: классическое решение для получения огромного усиления по току.
• Пара Шиклаи (комплементарная пара Дарлингтона): аналогичное Дарлингтону по усилению, но использующее транзисторы разной проводимости, что дает ряд преимуществ в двухтактных схемах.
• Каскодная схема: применяется для повышения рабочего напряжения и улучшения частотных свойств.
• Схема токового зеркала: используется для точного копирования токов и стабилизации режимов работы.

В контексте мощных двухтактных бестрансформаторных каскадов, наибольший интерес представляют именно пары Дарлингтона и Шиклаи, благодаря их способности обеспечивать значительное усиление тока при сравнительно малом входном управляющем токе.

Пара Дарлингтона

Пара Дарлингтона была предложена инженером Сиднеем Дарлингтоном в 1953 году, и с тех пор стала одним из наиболее распространенных решений для создания мощных усилительных каскадов.

Принцип построения: Это каскадное соединение двух биполярных транзисторов (например, n-p-n), где эмиттер первого транзистора (VT₁, обычно маломощного) соединен с базой второго транзистора (VT₂, обычно мощного). Коллекторы обоих транзисторов объединены. Таким образом, ток эмиттера VT₁ становится базовым током VT₂.

Характеристики:

• Очень высокий коэффициент усиления по току (β или h_21Э): Главное преимущество пары Дарлингтона. Он приблизительно равен произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов: β_{Дарлингтона} ≈ β₁ × β₂. Это позволяет управлять очень большими выходными токами с помощью крайне малого входного тока. У мощных транзисторов β может быть не менее 750, а у маломощных пар — достигать 50 000 и более.
• Высокое напряжение U_БЭ (напряжение база-эмиттер): Так как фактически два p-n перехода соединены последовательно, напряжение U_БЭ составного транзистора Дарлингтона примерно вдвое больше, чем у обычного транзистора, и составляет около 1.2 В (для кремниевых транзисторов). Это важно учитывать при расчете цепей смещения.
• Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер (U_{КЭ_нас}): Это является одним из недостатков пары Дарлингтона. Оно может составлять около 0.9 В для маломощных и до 2 В для мощных транзисторов. Высокое напряжение насыщения означает, что на транзисторе рассеивается больше мощности в режиме насыщения, что снижает КПД.
• Низкое быстродействие: Из-за каскадного включения и накопления зарядов в базах двух транзисторов, пара Дарлингтона имеет относительно низкое быстродействие, что может сказываться на верхнем пределе частотного диапазона.

Применение:
Пары Дарлингтона широко используются в мощных двухтактных выходных каскадах усилителей, где требуется большое усиление тока. Они также встречаются в интегральных схемах (например, ULN2003A, используемых для управления двигателями, реле), а также в различных радиолюбительских схемах, где необходим высокий коэффициент усиления.

Пара Шиклаи (комплементарная пара Дарлингтона)

Пара Шиклаи, также известная как комплементарная пара Дарлингтона или составной транзистор с комплементарной проводимостью, представляет собой альтернативную конфигурацию, которая в ряде случаев может превосходить классическую пару Дарлингтона.

Принцип построения: В отличие от Дарлингтона, пара Шиклаи содержит транзисторы разной полярности (например, n-p-n и p-n-p). Эмиттер первого транзистора (например, n-p-n) подключается к коллектору второго транзистора (p-n-p), а база второго транзистора подключается к коллектору первого. Входной сигнал подается на базу первого транзистора, а нагрузка подключается к коллекторам. Эта конфигурация позволяет ей вести себя как один транзистор с большим коэффициентом усиления, но с особенностями, обусловленными комплементарным включением.

Характеристики:

• Высокий коэффициент усиления по току: Как и у пары Дарлингтона, коэффициент усиления по току пары Шиклаи очень высок и сопоставим с произведением коэффициентов усиления входящих транзисторов.
• Низкое напряжение U_БЭ: Одно из ключевых преимуществ. Напряжение между базой и эмиттером составного транзистора Шиклаи составляет около 0.6 В (для кремниевых транзисторов), что эквивалентно одному p-n переходу. Это упрощает цепи смещения и делает пару Шиклаи более подходящей для использования в комплементарных двухтактных каскадах, где требуется симметричное смещение.
• Особенности использования p-n-p транзисторов: Если пара Шиклаи играет роль n-p-n транзистора, то один из ее компонентов будет p-n-p типа. Исторически, p-n-p транзисторы часто имели худшие характеристики (например, по быстродействию, линейности, максимальному току) по сравнению с n-p-n аналогами, что могло ограничивать применение пары Шиклаи. Однако современные технологии значительно сократили этот разрыв.
• Потенциально лучшие характеристики искажений: Пара Шиклаи может иметь лучшие характеристики искажений по сравнению с парой Дарлингтона и квазикомплементарной схемой. Применение пары Шиклаи позволяет на 10-15 дБ увеличить динамический диапазон по интермодуляции по сравнению с парой Дарлингтона, что свидетельствует о меньших нелинейных искажениях.

Применение:
Пары Шиклаи активно применяются в мощных двухтактных выходных каскадах, особенно когда требуется использование выходных транзисторов одной полярности (например, когда комплементарные транзисторы недоступны или имеют сильно отличающиеся характеристики). Они также находят применение в линейных стабилизаторах напряжения, благодаря своему низкому напряжению U_БЭ.

Составные транзисторы обычно обозначаются на схемах как обычные транзисторы, но могут иметь специализированные обозначения, указывающие на их составную природу. Существуют также готовые комплементарные пары составных транзисторов, интегрированные в один корпус (например, TIP120-127, MJ11028-33), что значительно упрощает проектирование.

Сравнительный анализ Дарлингтона и Шиклаи для УМЗЧ

Выбор между парами Дарлингтона и Шиклаи для выходных каскадов усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — это всегда компромисс, основанный на детальном анализе их характеристик, особенно в контексте нелинейных искажений и температурной стабильности.

Детальное сравнение по нелинейным искажениям:

• Спектральный состав искажений:
  • Пара Дарлингтона: Часто склонна к внесению большего количества четных гармоник (особенно второй), поскольку ее нелинейность более выражена и может быть менее симметричной. Это связано с тем, что U_БЭ составляет около 1.2 В, и нелинейность двух последовательных p-n переходов может быть более сложной.
  • Пара Шиклаи: Часто демонстрирует более симметричную передаточную характеристику, что способствует меньшим нелинейным искажениям. Особенно это проявляется в отношении интермодуляционных искажений (ИМИ). Как упоминалось, применение пары Шиклаи позволяет увеличить динамический диапазон по интермодуляции на 10-15 дБ по сравнению с парой Дарлингтона. Это означает, что при подаче многочастотного сигнала, компоненты сигнала не будут «взаимодействовать» друг с другом, создавая нежелательные побочные частоты, что критически важно для чистоты звука. Более низкое U_БЭ (около 0.6 В) также способствует лучшей линейности, так как она более точно имитирует поведение одного биполярного транзистора.
• Коммутационные искажения: Оба типа пар требуют аккуратного смещения для минимизации коммутационных искажений в режиме АВ. Однако из-за более сложной зависимости U_БЭ от тока у пары Дарлингтона, настройка оптимального тока покоя может быть более критичной.

Сравнение по температурной стабильности:
Пара Дарлингтона: Обладает существенной температурной зависимостью. Ток покоя пары Дарлингтона зависит от падений напряжения база-эмиттер двух каскадно соединенных транзисторов. Поскольку U_БЭ каждого транзистора уменьшается примерно на 2-2.5 мВ/°C с ростом температуры, общий эффект удваивается. Это делает ее весьма чувствительной к температурным изменениям, что может приводить к смещению рабочей точки, росту тока покоя (вплоть до теплового пробоя) или, наоборот, к появлению коммутационных искажений при охлаждении. Требуются более сложные и эффективные системы температурной компенсации.

Пара Шиклаи: Общая температурная зависимость составной пары Шиклаи значительно ниже, чем у пары Дарлингтона. Это обусловлено тем, что ток покоя пары Шиклаи в основном определяется управляющим транзистором (драйвером), который рассеивает сравнительно небольшую мощность и на котором проще поддерживать постоянную температуру. В случае пары Шиклаи, напряжение смещения фактически прикладывается к одному p-n переходу (эмиттерному переходу входного транзистора), что снижает общую температурную зависимость схемы. Это существенно упрощает задачу термостабилизации и делает схему более надежной в широком диапазоне температур.

Рекомендации по выбору пары для конкретных применений:

• Для высококачественных УМЗЧ, где критически важны минимальные нелинейные и интермодуляционные искажения, а также стабильность режимов: Пара Шиклаи часто является предпочтительным выбором. Ее более линейная передаточная характеристика и лучшая температурная стабильность позволяют достичь более высокого качества звучания. Однако следует учитывать потенциальные ограничения p-n-p транзисторов, если они используются в качестве выходных.
• Для промышленных применений, где ключевым является максимальный коэффициент усиления по току и простота управления большими токами, а вопросы аудиофильного качества не столь критичны: Пара Дарлингтона остается отличным и проверенным решением. Она проста в реализации, а ее высокий коэффициент усиления позволяет легко управлять мощными нагрузками от маломощных источников.
• При использовании готовых комплементарных пар транзисторов: Выбор может определяться доступностью компонентов и их конкретными паспортными характеристиками. Современные комплементарные транзисторы (например, n-p-n и p-n-p транзисторы в одном корпусе с близкими параметрами) могут значительно снизить разницу в характеристиках между Дарлингтоном и Шиклаи.

В целом, пара Шиклаи предлагает более изящное решение для достижения высокой линейности и температурной стабильности в двухтактных УМЗЧ, что делает ее особенно привлекательной для требовательных аудиоприложений.

Принципиальная схема и выбор элементной базы

Разработка двухтактного бестрансформаторного каскада требует не только глубокого понимания теоретических принципов, но и тщательного подхода к выбору схемотехнических решений и элементной базы. От этого зависит не только работоспособность, но и конечные качественные показатели усилителя.

Типовые схемные решения

Сердцевина двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности (УМ) — это простейшая схема на комплементарной паре транзисторов (p-n-p и n-p-n). Эти транзисторы, как правило, работают в режиме эмиттерных повторителей и подключаются к нагрузке.

Схемы с разделительным конденсатором и с двумя источниками питания:

• С одним источником питания и разделительным конденсатором: Это классический подход. Напряжение питания подается на коллекторы транзисторов (или через резисторы/дроссели). Нагрузка подключается к эмиттерам через разделительный конденсатор большой емкости. Этот конденсатор блокирует постоянную составляющую напряжения, которая формируется на средней точке усилителя (обычно около половины напряжения питания), и пропускает только переменный (звуковой) сигнал на нагрузку. Недостаток — большой размер и стоимость конденсатора, а также его влияние на низкочастотные характеристики (вносит фазовые искажения и ограничивает НЧ-диапазон).
• С двумя источниками питания: Более предпочтительный вариант для высококачественных УМ. В этом случае используются два источника: положительный (+U_ПИТ) и отрицательный (-U_ПИТ). Средняя точка усилителя (соединение эмиттеров комплементарной пары) подключается к общему проводу (земле), а нагрузка — непосредственно между этой точкой и землей. Это позволяет исключить разделительный конденсатор, что значительно улучшает фазовые и частотные характеристики усилителя, особенно на низких частотах, и упрощает схемотехнику.

Роль операционных усилителей в предварительных каскадах:
Применение операционных усилителей (ОУ) в качестве предварительных усилителей перед мощными транзисторными выходными каскадами крайне целесообразно. Это обусловлено несколькими причинами:

• Высокое входное сопротивление ОУ: Типичные значения входного сопротивления ОУ варьируются от сотен Ом до десятков МОм, а для ОУ с полевыми транзисторами на входе оно может достигать 10¹² Ом. Это минимизирует влияние на источник сигнала, предотвращая его шунтирование и сохраняя исходную форму.
• Низкое выходное сопротивление ОУ: Позволяет эффективно управлять входными каскадами мощных транзисторных усилителей, не допуская их перегрузки или искажений.
• Значительное снижение шумов: ОУ сами по себе имеют низкий уровень шумов, а также позволяют реализовать эффективные фильтрующие схемы, что способствует повышению общей чистоты сигнала.
• Широкий входной диапазон по напряжению: ОУ могут работать с широким диапазоном входных сигналов, что способствует уменьшению искажений на начальных этапах усиления.
• Простота реализации ООС: ОУ идеально подходят для построения схем с глубокой отрицательной обратной связью (ООС), что значительно линеаризует весь усилительный тракт.

Применение схем Дарлингтона в выходных каскадах:
Как было сказано ранее, схемы Дарлингтона широко применяются на практике в выходных каскадах, особенно там, где требуется очень высокий коэффициент усиления по току для управления мощными нагрузками. Их простота и эффективность в этом аспекте делают их популярным выбором.

Формирование смещения в классе АВ:
Для перевода усилителя в режим класса АВ и минимизации коммутационных искажений необходимо обеспечить небольшое начальное смещение на базах выходных транзисторов. Это достигается различными способами:

• Резистивный делитель: Простейший способ, но он обладает значительной температурной нестабильностью, так как сопротивления резисторов не компенсируют температурные изменения U_БЭ транзисторов.
• Диоды: Более эффективный метод. Один или несколько диодов, включенных последовательно и смещенных в прямом направлении, создают падение напряжения, которое используется для смещения баз выходных транзисторов. Поскольку падение напряжения на диоде имеет аналогичную температурную зависимость, что и U_БЭ транзистора (около -2 мВ/°C), диоды могут обеспечивать хорошую температурную компенсацию. Часто эти диоды закрепляют на радиаторе выходных транзисторов для еще более точной термостабилизации.

Выбор элементной базы

Тщательный выбор каждого компонента — залог успеха в построении высококачественного усилителя.

Подбор комплементарных транзисторов с максимально близкими параметрами:
Это критически важно для обеспечения симметричной работы плеч двухтактного каскада и минимизации нелинейных искажений (особенно четных гармоник). Транзисторы должны быть подобраны с максимально близкими значениями:

• Коэффициентов передачи тока (β или h_21Э): Различия в β приводят к разной крутизне характеристик плеч, что нарушает симметрию и вызывает искажения.
• Напряжения база-эмиттер (U_БЭ): Различия в U_БЭ приводят к разному току покоя в плечах, что может вызвать искажения типа «ступенька» или, наоборот, чрезмерный ток покоя в одном из плеч.

На практике для мощных УМЗЧ часто используют специально подобранные комплементарные пары или транзисторы из одной партии, проходящие дополнительный отбор.

Требования к выходному сопротивлению каскада для низкоомной нагрузки:
Для работы с низкоомной нагрузкой (например, 4 или 8 Ом) выходное сопротивление каскада должно быть чрезвычайно малым, в идеале — доли Ома. Схема эмиттерного повторителя (или, для составных транзисторов, коллекторного) обеспечивает низкое выходное сопротивление, но для его дальнейшего снижения применяют глубокую отрицательную обратную связь.

Использование резисторов между базой и эмиттером составных транзисторов:
В схемах Дарлингтона (и иногда в Шиклаи) между базой и эмиттером второго транзистора (мощного выходного) иногда включают резисторы малой величины (обычно десятки-сотни Ом). Эти резисторы выполняют несколько функций:

• Ускорение выключения: Они обеспечивают путь для разряда емкости база-эмиттер и отвода неосновных носителей заряда из базы, что ускоряет процесс выключения транзистора.
• Предотвращение ложного открытия: Эти резисторы помогают предотвратить случайное открытие транзистора от малых токов утечки или наведенных помех.

Важность качественных компонентов для снижения нелинейных искажений:
Под «качественными компонентами» в контексте снижения нелинейных искажений подразумеваются элементы, обладающие следующими характеристиками:

• Низкий разброс параметров: Чем меньше отклонения от номинала, тем лучше предсказуемость работы схемы.
• Высокая линейность: Особенно важно для резисторов (низкий собственный шум, отсутствие нелинейности сопротивления при изменении тока), конденсаторов (низкий тангенс угла потерь, отсутствие микрофонного эффекта, стабильность емкости) и, конечно, полупроводниковых приборов (линейные ВАХ).
• Оптимальные скоростные и мощностные характеристики: Транзисторы должны соответствовать рабочим режимам по частоте, току и напряжению, иметь достаточный запас по мощности рассеяния и обладать минимальными собственными искажениями.
• Надежность: Компоненты должны стабильно работать в течение длительного времени без деградации характеристик.

Использование низкокачественных компонентов может свести на нет все усилия по проектированию и расчетам, приводя к высоким уровням шума, искажений и нестабильности.

Расчет параметров и характеристик двухтактного бестрансформаторного каскада

Расчет является краеугольным камнем в проектировании любого электронного устройства. Для двухтактного бестрансформаторного каскада он позволяет не только определить номиналы компонентов, но и предсказать его ключевые характеристики, такие как выходная мощность, КПД и уровень нелинейных искажений.

Расчет рабочих точек и токов покоя

Правильный выбор рабочей точки и тока покоя транзисторов критически важен для обеспечения линейности и минимизации искажений.

Определение тока покоя транзисторов:
Ток покоя (I_пок) — это ток, протекающий через каждый из выходных транзисторов при отсутствии входного сигнала.

• В режиме класса В: I_пок ≈ 0. Это приводит к «ступеньке» на выходе.
• В режиме класса АВ: I_пок должен быть небольшим, но достаточным для того, чтобы оба транзистора были слегка приоткрыты при переходе сигнала через ноль. Это устраняет «ступеньку». Оптимальный I_пок обычно составляет от нескольких десятков до нескольких сотен миллиампер, в зависимости от мощности усилителя и типа транзисторов.

Методика расчета резисторов смещения в классе АВ:
Для создания необходимого смещения часто используют диоды, включенные в прямом направлении, или резистивные делители. Рассмотрим случай с диодами, поскольку они обеспечивают лучшую температурную стабилизацию.
Предположим, что смещение создается двумя диодами, включенными последовательно, через которые протекает ток I_Д. Падение напряжения на каждом диоде U_Д ≈ 0.6 В для кремниевых диодов. Общее падение напряжения на диодах будет 2U_Д ≈ 1.2 В. Это напряжение должно быть приложено к базам выходных транзисторов (или к базам составных транзисторов).
Ток I_Д, протекающий через диоды смещения, обычно выбирается в 5-10 раз больше максимального тока базы выходного транзистора (I_Бm). Это гарантирует, что диоды будут работать в стабильном режиме и их динамическое сопротивление будет низким.
Резисторы R₁ и R₂, формирующие делитель для питания диодов, рассчитываются по формуле:

R1 = R2 = 0.5 (UИП - UД_общ) / IД

где:

• U_ИП — напряжение источника питания (если двухполярное, то это половина общего напряжения между плюсом и минусом);
• U_{Д_общ} — суммарное падение напряжения на диодах смещения (например, 2U_Д ≈ 1.2 В);
• I_Д — ток через диоды смещения.

Расчет тока базы:
Максимальный ток коллектора (I_Кm) определяется требуемой выходной мощностью. Для составного транзистора ток базы I_Бm, необходимый для получения I_Кm, рассчитывается как:

IБm = IКm / βсоставной

где β_{составной} — коэффициент усиления по току составного транзистора.
Ток через диоды смещения I_Д ≈ (5…10) I_Бm. Это эмпирическое правило обеспечивает стабильность смещения.

Примеры расчетов:
Пусть U_ИП = ±25 В (двухполярное питание, общее 50 В), R_Н = 8 Ом.
Требуемая выходная мощность P_вых = 50 Вт.
Максимальное напряжение на нагрузке: U_Нm = √(2P_выхR_Н) = √(2 × 50 Вт × 8 Ом) = √800 = 28.28 В.
Максимальный ток нагрузки: I_Нm = U_Нm / R_Н = 28.28 В / 8 Ом = 3.53 А.
Максимальный ток коллектора выходных транзисторов I_Кm ≈ I_Нm = 3.53 А.
Пусть β_{составной} = 1000.
Ток базы I_Бm = 3.53 А / 1000 = 3.53 мА.
Ток через диоды смещения I_Д = 7 × I_Бm = 7 × 3.53 мА = 24.71 мА.
Если используем два диода (U_{Д_общ} = 1.2 В) и напряжение для делителя берется от +25 В:
R₁ = R₂ = 0.5 × (25 В — 1.2 В) / 24.71 мА = 0.5 × 23.8 В / 0.02471 А ≈ 481.6 Ом.
Выберем ближайшие стандартные номиналы, например, 470 Ом.

Расчет коэффициента усиления и выходной мощности

Коэффициент усиления по току (β или h_21Э):
Для составного транзистора (Дарлингтона или Шиклаи) он равен произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов, составляющих пару:

βсоставной = β1 × β2

Это позволяет достигать очень высоких значений, минимизируя требования к току управляющего к��скада.

Определение выходной мощности (P_вых):
Выходная мощность, отдаваемая в нагрузку, является одним из ключевых параметров. Она задается при известном сопротивлении нагрузки (R_Н) и максимальном напряжении на нагрузке (U_Нm) или максимальном токе (I_Нm):

Pвых = UНm2 / (2RН)

или

Pвых = IНm2RН / 2

В режиме В и АВ, максимальное напряжение на нагрузке U_Нm приблизительно равно напряжению питания (за вычетом падения напряжения на насыщенных транзисторах). Для двухполярного питания U_Нm ≈ U_ПИТ — U_{КЭ_нас}.

Анализ и расчет КПД

КПД (коэффициент полезного действия) — это отношение полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания.

КПД = Pвых / Pпотр × 100%

КПД в режимах А, В, АВ: теоретические и практические значения:

• Режим А (однотактный): Теоретический КПД с резистивной нагрузкой не превышает 25%. На практике он еще ниже.
• Режим В (двухтактный): Теоретический КПД может достигнуть 78.5%. Это идеальный случай, когда транзисторы полностью закрыты при отсутствии сигнала и не рассеивают мощность в покое.
• Режим АВ (двухтактный): Поскольку есть небольшой ток покоя, КПД ниже, чем в классе В, но значительно выше, чем в классе А. Теоретически может достигать 70-80%, а на практике его эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%.

Факторы, влияющие на КПД:

• Ток покоя: Чем выше ток покоя в режиме АВ, тем ниже КПД, так как в покое рассеивается больше мощности.
• Напряжение насыщения (U_{КЭ_нас}): Чем больше U_{КЭ_нас} транзисторов, тем больше мощности рассеивается на них при максимальном сигнале, что снижает КПД. Особенно актуально для пар Дарлингтона с их высоким U_{КЭ_нас}.
• Активное сопротивление нагрузки: Для заданной мощности, чем ниже R_Н, тем выше токи, и тем больше потери на внутреннем сопротивлении транзисторов.

Расчет и минимизация нелинейных искажений (углубленный подход)

Нелинейные искажения — это появление в выходном сигнале усилителя гармоник, отсутствовавших во входном сигнале. Они являются одним из ключевых показателей качества усилителя.

Определение коэффициента нелинейных искажений (КНИ/КГИ/THD):
Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) или коэффициентом гармонических искажений (КГИ). Согласно ГОСТ 16465-70, предпочтительным термином является «коэффициент гармоник» (К_г).
КНИ (К_г) определяется как отношение среднеквадратического значения суммы высших гармоник к среднеквадратическому значению напряжения (тока) основной (первой) гармоники исследуемого сигнала.

Формула для коэффициента гармоник (К_г):

Кг = √(U22 + U32 + ... + UN2) / U1

где:

• U₁ — среднеквадратическое значение напряжения первой (основной) гармоники;
• U_i — среднеквадратическое значение i-той гармонической составляющей.

Значение К_г обычно выражается в процентах.

Коммутационные (переключательные) искажения (КИ):
Это один из видов искажений, свойственных двухтактным усилителям классов В и АВ. Они возникают при переходе сигнала через «0», когда один транзистор закрывается, а другой открывается.

• Искажения типа «ступенька»: В режиме В, когда ток покоя равен нулю, оба транзистора вблизи нуля сигнала кратковременно закрыты, создавая «мертвую зону». Это проявляется как характерная ступенька на синусоидальном сигнале.
• Кроссоверные искажения: Более общее название для искажений, возникающих при переключении транзисторов.

Нелинейность входной характеристики транзистора вблизи нуля усугубляет эти искажения.

Частичная компенсация нелинейных искажений в двухтактных схемах:
Благодаря симметричной (противофазной) работе плеч, двухтактный каскад обеспечивает компенсацию четных гармоник. Если плечи работают идеально симметрично, все четные гармоники, порождаемые нелинейностью каждого плеча, взаимно компенсируются на выходе. Это приводит к тому, что в спектре искажений двухтактного усилителя доминируют нечетные гармоники (третья, пятая и т.д.).

Требования к К_г для высококачественных УМЗЧ:
Для высококачественного УМЗЧ К_г < 0.1 % считается допустимым. Однако в современных высококачественных усилителях К_г может достигать значительно более низких значений, например 0,002% на 1 кГц. При этом для оценки качества звучания важен не только сам К_г, но и спектральный состав искажений. Считается, что четные гармоники звучат менее «раздражающе» для слуха, чем нечетные.

Расчет частотных характеристик

Влияние трансформаторов на частотные искажения:
Как уже отмечалось, трансформаторы вносят существенные частотные искажения, ограничивая полосу пропускания как на низких (из-за индуктивности первичной обмотки), так и на высоких частотах (из-за паразитных емкостей и индуктивностей рассеяния). Отсутствие трансформатора в БУМ устраняет эти проблемы.

Расчет емкости разделительного конденсатора для обеспечения нижней граничной частоты:
Если усилитель питается от одного источника и имеет выходной разделительный конденсатор (C_Р2), то его емкость должна быть достаточно большой, чтобы не ограничивать воспроизведение низких частот. Сопротивление конденсатора на низшей рабочей частоте (f_Н) должно быть невелико по сравнению с сопротивлением нагрузки (R_Н).

CР2 ≥ 1 / (2πfНRН)

или для практического расчета часто используют:

CР2 ≥ (10 × 106) / (2πfНRН) мкФ

Здесь коэффициент 10 введен для того, чтобы сопротивление конденсатора было в 10 раз меньше сопротивления нагрузки на нижней частоте, обеспечивая минимальный спад АЧХ.
Пример: Для R_Н = 8 Ом и f_Н = 20 Гц:
C_Р2 ≥ (10 × 10⁶) / (2 × 3.14 × 20 × 8) = 10 000 000 / 1004.8 ≈ 9951 мкФ.
В этом случае потребуется конденсатор емкостью не менее 10 000 мкФ.

Стабилизация режимов работы и методы минимизации искажений

Достижение высоких качественных показателей в усилителях мощности невозможно без эффективных методов стабилизации режимов работы и целенаправленной минимизации искажений. Температурная зависимость параметров полупроводников и присущая нелинейность их характеристик требуют комплексного подхода.

Температурная стабилизация

Одной из самых серьезных проблем в полупроводниковой схемотехнике является сильная зависимость параметров транзисторов от температуры.

• Изменение U_БЭ: Напряжение база-эмиттер (U_БЭ) кремниевого транзистора уменьшается примерно на 2-2.5 мВ/°C при увеличении температуры.
• Изменение I_КБ: Обратный ток коллектора (I_КБ или I_КО) удваивается при изменении температуры на каждые 5-7°C для кремниевых транзисторов.

Эти изменения приводят к смещению рабочей точки транзисторов, что, в свою очередь, вызывает рост нелинейных искажений (например, появление или усиление «ступеньки») или, наоборот, неконтролируемый рост тока покоя, ведущий к тепловому пробою (эффект «теплового убегания»).

Для компенсации этих нежелательных эффектов вводят цепи термостабилизации, основанные на принципе отрицательной обратной связи (ООС).

Наиболее распространенные практические методы:

1. Диод, закрепленный на радиаторе: Это классический и очень эффективный метод. Диод (или несколько диодов), задающий напряжение смещения для выходных транзисторов, закрепляется на том же радиаторе, что и выходные транзисторы. При повышении температуры радиатора температура диода также повышается, и его прямое падение напряжения U_Д уменьшается (аналогично U_БЭ транзистора). Это приводит к уменьшению напряжения смещения на базах выходных транзисторов, что компенсирует их собственный температурный дрейф U_БЭ и уменьшает ток покоя, предотвращая тепловой пробой.
2. Терморезисторы: Иногда используются терморезисторы (термисторы) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-термисторы), действующие аналогично диодам. При нагреве их сопротивление уменьшается, изменяя режим смещения.

Особенности термостабильности пар Дарлингтона и Шиклаи:

• Пара Дарлингтона: Обладает существенной температурной зависимостью, поскольку ток покоя зависит от суммы падений U_БЭ двух транзисторов, и эффект температурного дрейфа удваивается. Это требует особо тщательной термостабилизации.
• Пара Шиклаи: Может демонстрировать лучшую общую температурную стабильность. Это обусловлено тем, что ток покоя пары Шиклаи в основном определяется управляющим транзистором (драйвером), который рассеивает сравнительно небольшую мощность и на котором легче поддерживать постоянную температуру. В отличие от Дарлингтона, напряжение смещения в Шиклаи прикладывается фактически к одному переходу, что упрощает задачу термокомпенсации.

Стабилизация тока покоя и средней точки

Поддержание стабильного тока покоя и правильного положения средней точки на выходе является ключевым для минимизации искажений и обеспечения надежной работы.

Поддержание тока покоя:
Необходимо поддерживать определенный уровень начального тока (тока покоя) при изменении температуры выходных транзисторов и других факторов. Слишком низкий ток покоя приводит к коммутационным искажениям, слишком высокий — к чрезмерному рассеянию мощности и риску теплового пробоя.

• ООС по постоянному току: Широко используется отрицательная обратная связь по постоянному току с выхода усилителя на его вход. Это позволяет автоматически корректировать смещение и поддерживать ток покоя на заданном уровне.
• Усилители постоянного тока в цепи ООС: В высококачественных усилителях, особенно с разделительным конденсатором на выходе (где обычная ООС по постоянному току неэффективна), может вводиться специальный усилитель постоянного тока в цепь ООС, который контролирует среднюю точку и корректирует смещение. Примером может служить использование комплементарного токового зеркала в предвыходном каскаде, которое повышает термостабильность и скорость нарастания выходного напряжения.

Стабилизация положения средней точки:
Для усилителей с одним источником питания напряжение в точке соединения двух выходных транзисторов (средняя точка) должно равняться половине напряжения питания. Для усилителей с двумя источниками питания эта точка должна быть близка к нулю. Отклонение средней точки приводит к несимметричному ограничению сигнала и уменьшению выходной мощности. Стабилизация достигается теми же методами, что и стабилизация тока покоя, часто с использованием усилителей постоянного тока.

Передовые методы минимизации коммутационных и других искажений

Помимо базовых методов, существуют более продвинутые подходы к снижению нелинейных искажений, особенно коммутационных.

Использование режима АВ для уменьшения коммутационных искажений:
Это фундаментальный шаг. Как уже обсуждалось, перевод усилителя из класса В в класс АВ путем введения небольшого тока покоя значительно уменьшает коммутационные искажения типа «ступенька».

Тщательная схемотехническая проработка и местная ООС:

• Оптимальные режимы работы по постоянному току: Правильный выбор всех рабочих точек и токов покоя во всех каскадах усилителя.
• Местная ООС (Local Feedback): Введение локальных цепей ООС в отдельных каскадах (например, резисторы в эмиттерах транзисторов) позволяет линеаризовать их индивидуальные характеристики, снижая THD (Total Harmonic Distortion) и IMD (Intermodulation Distortion) еще до применения общей ООС.

Общая отрицательная обратная связь (ООС):
Это мощнейший инструмент в борьбе с искажениями и нестабильностью.

• Линеаризация процесса усиления: ООС сравнивает выходной сигнал с входным и корректирует его, значительно уменьшая нелинейные искажения.
• Функциональная стабильность: Повышает стабильность работы усилителя, делая его менее чувствительным к изменению параметров компонентов и внешним воздействиям.
• Демпфирование нагрузки: Снижает выходное сопротивление усилителя, улучшая его способность управлять низкоомной нагрузкой (например, акустической системой).

Однако глубокая ООС может приводить к проблемам со стабильностью на высоких частотах и появлению динамических искажений, поэтому ее применение требует тщательного расчета.

Специальные цепи для плавного отсечения эмиттерного тока:
Для радикального снижения коммутационных искажений разработаны более сложные схемотехнические решения:

• Режим работы с постоянным сквозным током: В таких схемах обеспечивается непрерывное протекание небольшого тока через оба плеча выходного каскада даже при переходе сигнала через ноль. Это полностью исключает закрытие транзисторов и, соответственно, коммутационные искажения. Примером является упрощенный вариант усилителя DA-A30 фирмы Mitsubishi.
• Цепи форсирования закрытия транзисторов: Эти цепи активно «вытягивают» заряды из базы транзистора при его закрытии, ускоряя этот процесс и уменьшая время, в течение которого оба транзистора могут быть одновременно открыты или закрыты.

Ликвидация искажений типа «ступенька» переводом УМЗЧ в режим А или Super A:

• Режим А: Полностью устраняет коммутационные искажения, поскольку транзисторы всегда открыты. Однако это сопряжено с крайне низким КПД и высоким тепловыделением.
• Режим Super A: Предложен компанией JVC. Это гибридный режим, который пытается сочетать преимущества класса А (отсутствие коммутационных искажений) и класса В/АВ (высокий КПД). В Super A поддерживается постоянный ток в нагрузке, и оба транзистора всегда находятся в открытом состоянии, но управляющие цепи динамически перераспределяют ток между ними таким образом, что большая часть тока протекает через один транзистор, а другой поддерживает минимальный ток покоя. Это позволяет достичь высокой линейности класса А при КПД, близком к классу АВ.

Практическое применение двухтактных бестрансформаторных каскадов

Изучение теоретических основ и методов расчета не имеет полного смысла без понимания того, как эти концепции воплощаются в реальных устройствах. Двухтактные бестрансформаторные каскады являются фундаментальными элементами современной электроники и нашли широкое применение в самых разнообразных областях.

Применение в аудиотехнике

Если говорить о высококачественном усилении звуковых частот (УМЗЧ), то именно двухтактные бестрансформаторные усилители мощности являются доминирующим и, по сути, основным звеном современной аппаратуры. Их преимущества — низкие искажения (особенно четных гармоник), широкий частотный диапазон, высокий КПД и возможность работы с низкоомной нагрузкой без громоздких трансформаторов — сделали их незаменимыми.

Практически любой современный Hi-Fi или Hi-End усилитель мощности, будь то компонентный блок, интегрированный в стереосистему, или часть активной акустической системы, использует именно эту схемотехнику. Студийные мониторы, профессиональное звуковое оборудование, автомобильные аудиосистемы — везде, где требуется мощное и чистое усиление звука, эти каскады проявляют свои лучшие качества. Они демонстрируют превосходные характеристики по таким параметрам, как коэффициент гармоник (К_г до 0,002% на 1 кГц), интермодуляционные искажения и демпинг-фактор, что критически важно для точного воспроизведения звука.

Использование составных транзисторов

Составные транзисторы, особенно пары Дарлингтона и Шиклаи, значительно расширили возможности двухтактных бестрансформаторных каскадов и нашли применение не только в аудио, но и в других областях электроники:

• Мощные выходные каскады усилителей: Это их основное применение. Благодаря чрезвычайно высокому коэффициенту усиления по току, составные транзисторы позволяют управлять большими токами нагрузки (десятки ампер) от предварительных каскадов, которые работают с гораздо меньшими токами. Это упрощает схемотехнику драйверных каскадов и снижает требования к ним.
• Интегральные микросхемы: Сборки Дарлингтона часто используются в интегральных микросхемах, таких как знаменитые драйверы ULN2003A (и их аналоги). Эти микросхемы содержат массив пар Дарлингтона и предназначены для управления нагрузками, требующими значительного тока, например:
  • Двигатели: Шаговые двигатели, коллекторные двигатели постоянного тока.
  • Реле и соленоиды: Управление электромагнитными компонентами.
  • Лампы накаливания и светодиодные матрицы: Включение и выключение мощных световых индикаторов.

  Их высокая токовая нагрузочная способность и простота управления позволяют напрямую подключать микроконтроллеры к мощным исполнительным устройствам.

• Радиолюбительские схемы: Из-за своей эффективности и относительной простоты в реализации, составные транзисторы популярны среди радиолюбителей для создания мощных усилителей, стабилизаторов напряжения, драйверов и других устройств, где требуется управлять большими токами.
• Линейные стабилизаторы напряжения: Составные транзисторы Шиклаи могут использоваться в качестве регулирующего элемента в линейных стабилизаторах напряжения. Их преимущество заключается в малом падении напряжения между базой и выходным напряжением на коллекторе эквивалентного транзистора (всего около 0.6 В U_БЭ), что позволяет стабилизатору работать с меньшим перепадом входного-выходного напряжения (low-dropout, LDO), повышая его эффективность.

Таким образом, двухтактные бестрансформаторные каскады на составных транзисторах не просто являются теоретической концепцией, но и активно применяются в реальных устройствах, формируя основу современной аналоговой электроники.

Заключение

В рамках данной курсовой работы было проведено всестороннее исследование двухтактных бестрансформаторных каскадов на составных транзисторах, охватывающее их теоретические основы, принципы построения, методы расчета и практическое применение. Подробно рассмотрены физические процессы, лежащие в основе работы этих усилителей, их преимущества по сравнению с однотактными решениями и основные характеристики.

Мы убедились, что двухтактные каскады представляют собой мощное и эффективное решение для усиления сигналов. Их способность компенсировать четные гармоники, снижать фон и помехи от источника питания, а также обеспечивать высокий КПД (до 70-80% в классе АВ) делает их незаменимыми. Отказ от выходного трансформатора устраняет источники частотных и нелинейных искажений, открывая путь к более чистому и широкополосному усилению.

Особое внимание уделено составным транзисторам — парам Дарлингтона и Шиклаи. Детальный сравнительный анализ показал, что, хотя пара Дарлингтона является эффективным решением для получения высокого усиления по току, пара Шиклаи часто демонстрирует превосходство в отношении линейности и температурной стабильности, что делает ее предпочтительной для высококачественных аудиоприложений. Более низкое напряжение U_БЭ и лучшая температурная стабильность тока покоя пары Шиклаи значительно упрощают проектирование и настройку усилителей.

Рассмотрение типовых схемных решений, включая роль операционных усилителей в предварительных каскадах, и принципов выбора элементной базы, подчеркнуло важность тщательного подбора комплементарных транзисторов и качественных компонентов для минимизации искажений. Представленные методики расчета рабочих точек, коэффициентов усиления, выходной мощности, КПД и, что особенно важно, нелинейных искажений (с учетом коэффициента гармоник К_г и коммутационных искажений), дают инструментарий для проектирования и анализа таких каскадов.

Глубокий анализ методов стабилизации режимов работы, таких как температурная стабилизация с использованием диодов на радиаторе, и стабилизация тока покоя и средней точки, а также рассмотрение передовых методов минимизации искажений (общая и местная ООС, специальные цепи для плавного отсечения эмиттерного тока, режимы А и Super A), демонстрируют комплексный подход к достижению высокой линейности и надежности.

Наконец, раздел о практическом применении подтвердил, что двухтактные бестрансформаторные каскады на составных транзисторах не просто академическая концепция, но и основа современной высококачественной аппаратуры усиления звуковых частот, а также ключевой элемент в интегральных микросхемах и линейных стабилизаторах напряжения.

В заключение, двухтактные бестрансформаторные каскады на составных транзисторах представляют собой вершину развития аналоговой усилительной схемотехники, предлагая эффективное сочетание мощности, эффективности и низких искажений. Их значимость в современной электронике неоспорима, а дальнейшие исследования в этой области могут быть связаны с разработкой новых полупроводниковых материалов (например, на основе GaN или SiC), улучшением схем компенсации искажений в широком частотном диапазоне и созданием еще более интегрированных и интеллектуальных усилительных систем.

Список использованной литературы

1. Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г. И. Волович [и др.]. – Москва : ДОДЭКА, 2007. – 528 с.
2. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники : учебное пособие для вузов / И. П. Степаненко. – Москва : Лаборатория Базовых Знаний, 2000. – 488 с.
3. Бойко, В. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства : учебник / В. Бойко, А. Гуржий, В. Жуйков. – Санкт-Петербург : БХВ – Петербург, 2004. – 488 с.
4. Сиренький, И. В. Электронная техника / И. В. Сиренький, В. В. Рябинин, С. Н. Голощапов. – 2005. – 416 с.
5. Ленк, Д. 500 практических схем на популярных ИС : справочное пособие : пер. с англ. / Д. Ленк [и др.]. – Москва : ДМК, 2001. – 440 с.
6. Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. – 2-е изд., испр. и доп. – Москва : ДОДЭКА, 1998. – 400 с.
7. Бестрансформаторные усилители мощности – схема и принцип работы. – Неизвестный источник.
8. Виды нелинейных искажений и методы борьбы с ними. – Неизвестный источник.
9. Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром. – URL: audimania.ru.
10. Лекция №11 Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности. – 2018.
11. Составной транзистор. Схема Дарлингтона, пара Шиклаи. – 2023.
12. Глава из учебного пособия: Двухтактные бестрансформаторные усилители мощности. – 2025.
13. Составной транзистор | Транзисторная сборка Дарлингтона. – Неизвестный источник.
14. Выходные каскады усилителей мощности — Дарлингтон против Шиклаи. – Неизвестный источник.
15. Исследование двухтактного усилителя мощности. – Неизвестный источник.
16. Лекционные материалы: Негодные транзисторные схемы. – Неизвестный источник.
17. Термостабилизация усилительного каскада. – 2015.
18. Нелинейные искажения усилителя. – 2019.
19. УМЗЧ без общей ООС. – Неизвестный источник.
20. Глава из учебного пособия: Методы анализа линейных усилительных каскадов. – 2019.
21. Двухтактный каскад дополнительно позволяет подавить четные гармоники искажений — Электронная лампа, радиолампа. Физика и схемотехника. – Неизвестный источник.
22. Глубокая отрицательная обратная связь в УМЗЧ. – Неизвестный источник.
23. Sziklai’s composite transistor. – URL: YouTube.