Двухтактный усилитель: глубокий академический анализ принципов, схемотехники и современных тенденций

В мире аудиотехники и радиотехники, где каждый децибел и процент искажений имеет значение, двухтактные усилители мощности класса B способны достигать теоретического коэффициента полезного действия (КПД) в 78,5%, а на практике демонстрируют впечатляющие 70-75%. Этот показатель является не просто цифрой, а фундаментальным преимуществом, которое вывело двухтактные схемы на передовые позиции, обеспечив им доминирующее положение в множестве приложений — от высококачественных звуковых систем до специализированной измерительной аппаратуры. Понимание их архитектуры, принципов работы и ключевых компромиссов между эффективностью и линейностью становится краеугольным камнем для каждого инженера-схемотехника, поскольку напрямую влияет на энергопотребление, габариты и, в конечном итоге, на стоимость готового устройства.

Введение в двухтактные усилители: назначение и эволюция

Развитие радиотехники на протяжении XX века неразрывно связано с поиском методов эффективного усиления электрических сигналов. В этом процессе усилители мощности, призванные передавать значительную энергию потребителю, играли и продолжают играть центральную роль. Они являются своеобразным «сердцем» любой аудиосистемы, радиопередатчика или измерительного прибора, определяя качество и эффективность преобразования сигнала.

В данном академическом исследовании мы погрузимся в мир двухтактных усилителей, раскрывая их актуальность в контексте современной электроники. Цель работы — предоставить исчерпывающий, структурированный анализ их принципов работы, схемотехнических решений и эволюции. Мы не только рассмотрим фундаментальные концепции, но и исследуем количественные показатели, которые зачастую остаются за кадром в общих обзорах, показывая, как именно метрики формируют реальные характеристики. Работа направлена на студентов инженерно-технических и радиотехнических вузов, стремящихся к глубокому пониманию предмета и способных использовать эти знания для создания высококачественных учебных работ и практических проектов.

Мы проследим путь от базовых определений до тонкостей классов работы, преимуществ бестрансформаторных схем, критической роли отрицательной обратной связи и современных тенденций, включая применение интегральных микросхем. Структура работы призвана обеспечить логичное и последовательное изложение материала, сочетая академическую строгость с наглядностью и практической ценностью, что необходимо для формирования комплексного инженерного мышления.

Фундаментальные основы двухтактного усиления

В основе любого усиления лежит стремление к эффективному и точному воспроизведению входного сигнала с увеличенной мощностью. Однако, достижение этой цели сопряжено с рядом технических вызовов. Двухтактное усиление, известное в англоязычной литературе как «push-pull» (тяни-толкай), стало одним из наиболее элегантных и эффективных решений этой задачи, радикально отличаясь от своих однотактных предшественников.

Определение и базовый принцип работы

Двухтактный усилитель представляет собой сложную, но логичную конструкцию, состоящую из двух усилительных каскадов, или «плеч», работающих на общую нагрузку. Ключевая особенность заключается в том, что эти плечи управляются одним и тем же усиливаемым колебанием, но в противофазе. Это означает, что пока одно плечо усиливает положительную полуволну входного сигнала, другое занимается отрицательной, и наоборот. В конечном итоге, эти две усиленные полуволны «соединяются» на нагрузке, образуя почти неискаженный выходной сигнал.

Простейшим и весьма иллюстративным примером линейного двухтактного каскада является комплементарный эмиттерный повторитель. Эта схема образована встречным включением двух транзисторов различной структуры проводимости: n-p-n и p-n-p. При подаче положительной полуволны входного сигнала открывается n-p-n транзистор, а при отрицательной — p-n-p, что позволяет эффективно обрабатывать весь период сигнала. Напряжение на нагрузке формируется путем взаимного вычитания выходных колебаний плеч, благодаря чему они фактически суммируются, несмотря на их противофазное управление. Этот принцип позволяет усилить сигнал за два такта, поочередно одним из транзисторов, обеспечивая эффективное использование мощности, что является основой для достижения высокого КПД.

Сравнительный анализ с однотактными усилителями

Чтобы по-настоящему оценить преимущества двухтактных усилителей, необходимо взглянуть на их предшественников — однотактные схемы. Классические однотактные усилители мощности, работающие, как правило, в классе А, имеют ряд существенных недостатков, которые двухтактные схемы успешно преодолевают.

Во-первых, однотактные усилители не могут эффективно применять экономичные режимы класса B и AB. В классе А, ток коллектора в рабочей точке должен быть достаточно большим для обеспечения линейности, что приводит к значительным потерям мощности и, как следствие, к низкому КПД, делая их непрактичными для многих современных приложений.

Во-вторых, однотактные трансформаторные усилители подвержены значительным нелинейным искажениям, вызванным подмагничиванием магнитопровода выходного трансформатора. Эти искажения, хотя и могут иметь «музыкальный» характер для некоторых аудиофилов (преобладают гармоники низшего порядка), являются нежелательными с точки зрения точного воспроизведения сигнала. Увеличение выходной мощности в таких схемах часто достигается параллельным соединением ламп, что, в свою очередь, может привести к перегрузке трансформатора и дальнейшему росту нелинейных искажений.

Двухтактные же усилители, благодаря противофазному управлению и принципу «вычитания» сигналов на нагрузке, способны частично компенсировать нелинейные искажения, вносимые каждым плечом. Это приводит к значительному улучшению качества выходного сигнала, делая их более предпочтительными для приложений, требующих высокой верности воспроизведения, что особенно важно в современной аудиотехнике.

Метрики качества: КПД и нелинейные искажения

Двумя наиболее критически важными метриками, определяющими качество и эффективность усилителя, являются коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент нелинейных искажений (КНИ).

Коэффициент полезного действия (КПД) показывает, какая часть потребляемой усилителем мощности преобразуется в полезную мощность на нагрузке. Двухтактные усилители традиционно ассоциируются с высоким КПД. В то время как однотактные усилители класса А имеют теоретический КПД в диапазоне 40-50% (что делает их весьма неэкономичными), двухтактные схемы, особенно работающие в классах B и AB, демонстрируют значительно более высокие показатели. Теоретический КПД усилителя класса B может достигать 78,5%, а на практике обычно находится в пределах 70-75%. Для усилителей класса AB КПД составляет около 50-60%, что также является заметным улучшением по сравнению с классом А.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) отражает степень отклонения формы выходного сигнала от формы входного. Чем ниже КНИ, тем «чище» и точнее воспроизводится сигнал. Для усилителей звуковых частот, предназначенных для Hi-Fi класса, международные стандарты (например, МЭК 581-6) устанавливают норму на КНИ до 0,7%. Однако современные усилительные устройства демонстрируют гораздо лучшие показатели, часто опускаясь ниже 0,1%. Высококачественные усилители могут достигать значений 0,005% или даже 0,001%, что практически не оставляет места для слухового восприятия искажений.

Важно отметить, что восприятие искажений на слух — это не только чистые цифры, но и психоакустический аспект. При КНИ, не превышающем 3-5%, искажения на слух практически не замечаются. Однако при значениях выше 12-15% передача становится неприятной и утомительной для слушателя. Для синусоидального сигнала искажения могут быть заметны уже при КНИ от 0,1% до 2%, а для более сложных музыкальных сигналов этот порог сдвигается к 1%. Двухтактные схемы, особенно при использовании отрицательной обратной связи, демонстрируют превосходные результаты в минимизации КНИ, что делает их идеальным выбором для высококачественного звуковоспроизведения.

Классы работы двухтактных усилителей: компромиссы между эффективностью и линейностью

Выбор класса работы для двухтактного усилителя — это всегда поиск оптимального баланса между ключевыми характеристиками: эффективностью (КПД), линейностью (уровнем искажений) и сложностью реализации. Двухтактная конфигурация позволяет реализовать различные режимы, каждый из которых имеет свои уникальные преимущества и недостатки.

Класс А: Высокая линейность и ограничения

Двухтактный усилитель, работающий в классе А, является вершиной линейности среди аналоговых схем. В этом режиме каждый из двух транзисторов (или ламп) находится в проводящем состоянии на протяжении всего периода входного сигнала. Рабочая точка устанавливается таким образом, чтобы ток через каждый транзистор никогда не падал до нуля, что обеспечивает непрерывность усиления и практически исключает нелинейные искажения, особенно «перекрестные», присущие другим классам.

Двухтактные усилители класса А обеспечивают очень малые нелинейные искажения, которые могут быть на уровне менее 0,1%, а в высококачественных образцах — до 0,005% или даже 0,001% при оптимальной настройке. Этот уровень КНИ позволяет добиться невероятной чистоты и детальности звучания, что ценится в Hi-End аудиотехнике.

Однако высокая линейность достигается ценой значительной неэкономичности. Ток коллектора в рабочей точке должен быть достаточно большим, что приводит к непрерывному рассеиванию значительной мощности в виде тепла, даже в отсутствие входного сигнала. Как следствие, теоретический КПД однотактного усилителя класса А составляет всего 40-50%, а на практике он еще ниже. Двухтактный класс А также страдает от этого недостатка, хотя и может предложить лучшую компенсацию четных гармоник искажений по сравнению с однотактным вариантом. Малое КПД требует массивных систем охлаждения, что увеличивает габариты и стоимость устройства.

Класс B: Максимальный КПД с оговорками

Усилители класса B разрабатывались как ответ на проблему низкой эффективности класса А. Принцип их работы кардинально отличается: рабочие точки транзисторов (или ламп) выбираются в самом начале рабочей характеристики, близко к отсечке. Это означает, что каждый транзистор находится в проводящем состоянии ровно 180° (половину целого периода) входного сигнала. Один транзистор усиливает положительную полуволну, другой – отрицательную, и в паузах между полуволнами ток через транзистор практически отсутствует.

Такой подход позволяет достичь значительно более высокого КПД. Теоретический КПД усилителя класса B может достигать впечатляющих 78,5%, а практические значения часто находятся в диапазоне 70-75%. Это делает их идеальным выбором для приложений, где энергоэффективность является критически важной.

Однако высокая эффективность приходит с существенным недостатком: проблемой «перекрестных искажений» или «ступеньки». Поскольку каждый транзистор открывается только на половину периода, в момент перехода сигнала через ноль, когда один транзистор закрывается, а другой только начинает открываться, возникает небольшая пауза или нелинейность. Это проявляется на осциллограмме как «ступенька» вблизи нулевого уровня сигнала и приводит к характерным, неприятным на слух искажениям, особенно заметным на малых уровнях мощности. Для Hi-Fi класса это недопустимо, так как нарушает тонкую динамику звука.

Класс AB: Оптимальный баланс

Класс AB является золотой серединой между классом А и классом B, стремясь объединить преимущества обоих и минимизировать их недостатки. Для устранения «перекрестных искажений» в режиме B, выходной каскад усилителя класса AB переводится в состояние, при котором на базы выходных транзисторов подается небольшое смещение. Это смещение обеспечивает небольшой ток покоя через оба транзистора, даже в отсутствие входного сигнала.

Благодаря этому смещению, каждый транзистор находится в проводящем состоянии немного больше 180° (например, 190-200°), что позволяет им слегка «перекрываться» в области нулевого перехода сигнала. Таким образом, полностью устраняется проблема «ступеньки», и достигается высокая линейность, сопоставимая с классом А, при значительно более высоком КПД.

КПД усилителя класса AB составляет, как правило, 50-60%. Это несколько ниже, чем у чистого класса B, но значительно выше, чем у класса А. Класс AB является наиболее распространенным режимом работы для двухтактных усилителей мощности звуковой частоты, поскольку предлагает оптимальный компромисс между качеством звука, эффективностью и тепловыделением.

Другие классы (C, D): Краткий обзор

Помимо классов A, B и AB, двухтактная конфигурация может быть реализована и в других режимах, хотя и со специфическими областями применения:

• Класс C: В этом режиме транзисторы находятся в проводящем состоянии менее 180° входного сигнала, работая с большой отсечкой. Это обеспечивает очень высокий КПД (до 90% и более), но ценой крайне высоких нелинейных искажений. Поэтому двухтактные усилители класса С используются преимущественно в высокочастотных трактах радиопередатчиков, где сигнал имеет узкий спектр и может быть очищен от гармоник с помощью резонансных контуров. В аудиотехнике класс C не применяется.
• Класс D: Это принципиально иной подход, основанный на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В усилителях класса D выходные транзисторы работают в ключевом режиме – либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Это минимизирует потери мощности на транзисторах (так как в открытом состоянии падение напряжения минимально, а в закрытом – ток равен нулю). Благодаря этому, класс D обладает чрезвычайно высоким КПД, часто превышающим 90% (а в некоторых случаях до 98-99%). Двухтактная схема здесь также играет роль, управляя положительными и отрицательными импульсами. Усилители класса D активно применяются в современной аудиотехнике (особенно в автомобильных и портативных системах, а также в активных акустических системах), где требуется высокая мощность при минимальном тепловыделении и компактных размерах.

Бестрансформаторные двухтактные усилители: современность и практическая реализация

Эволюция усилительной техники на протяжении десятилетий стремилась к минимизации габаритов, снижению стоимости и улучшению частотных характеристик. В этом контексте бестрансформаторные двухтактные усилители стали настоящим прорывом, вытеснив из многих областей применения своих трансформаторных предшественников.

Преимущества и области применения

Ключевым преимуществом бестрансформаторных двухтактных усилителей является, как следует из названия, отсутствие входного и выходного трансформаторов. Это обусловило целый ряд значительных достоинств:

1. Дешевизна и малый вес: Исключение громоздких и дорогостоящих трансформаторов существенно снижает стоимость производства и массу конечного устройства. Например, для КВ усилителя мощностью 500 Вт, бестрансформаторная схема может весить всего около 12 кг, тогда как трансформаторные аналоги были бы значительно тяжелее. Это делает их незаменимыми для портативной и автомобильной аудиотехники, а также для устройств, где вес и габариты играют решающую роль.
2. Широкая полоса частот: Трансформаторы по своей природе ограничивают частотный диапазон, внося нелинейные искажения на низких и высоких частотах. Отсутствие трансформаторов позволяет бестрансформаторным усилителям обеспечивать значительно более широкий и равномерный частотный диапазон. Для качественных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) это означает диапазон от 20 Гц до 20 кГц по уровню -3 дБ, а лучшие образцы способны работать в диапазоне от 0 Гц до 200 кГц, что гарантирует точное воспроизведение всего спектра звуковых частот и более высоких гармоник.
3. Возможность изготовления в интегральном исполнении: Миниатюризация компонентов и их интеграция в единый корпус микросхемы значительно упрощают производство и повышают надежность.
4. Улучшение переходных характеристик: Отсутствие реактивных элементов (индуктивностей) трансформаторов способствует лучшей передаче импульсных сигналов и уменьшению фазовых искажений.

Благодаря этим преимуществам, бестрансформаторные двухтактные усилители получили наибольшее распространение в современной аудиотехнике, измерительной технике, автоматике и аналоговой вычислительной технике, в значительной степени вытеснив трансформаторные усилители на транзисторах. Не является ли такой сдвиг в сторону бестрансформаторных решений окончательным подтверждением их превосходства в большинстве практических применений?

Схемотехнические особенности

Простейший вариант бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности представляет собой комплементарную пару транзисторов (n-p-n и p-n-p типа проводимости), включенных последовательно. Эти транзисторы работают в режиме эмиттерного повторителя. Эмиттерный повторитель характеризуется высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, что делает его идеальным для использования в выходных каскадах усилителей мощности.

Принцип работы такой схемы следующий:

• При положительной полуволне входного сигнала открывается n-p-n транзистор, и ток протекает через нагрузку в одном направлении.
• При отрицательной полуволне входного сигнала открывается p-n-p транзистор, и ток протекает через нагрузку в противоположном направлении.

Таким образом, на нагрузке формируется знакопеременный сигнал. При нулевом входном напряжении (и в режиме класса B) коллекторные токи практически не протекают, что минимизирует рассеивание мощности на транзисторах и в нагрузке.

Одной из ключевых особенностей современных мощных бестрансформаторных УМЗЧ является использование двухполярного питания. Это позволяет подключать акустические системы непосредственно к выходу усилителя без разделительного конденсатора. Отсутствие разделительного конденсатора в цепи нагрузки устраняет его влияние на низкие частоты и улучшает фазовые характеристики.

Низкое выходное сопротивление (обычно составляющее доли Ома, например, менее 0,1 Ом) является критически важным для эффективной работы с низкоомной нагрузкой, такой как стандартные акустические системы с импедансом 4, 6 или 8 Ом. Чем ниже выходное сопротивление усилителя, тем лучше он контролирует движение диффузора динамика, что положительно сказывается на качестве басов и переходных характеристиках.

Поскольку на выходе усилителя с двухполярным питанием и без разделительного конденсатора может появиться постоянное напряжение в случае аварии одного из плеч, такие схемы обязательно имеют систему защиты акустических систем. Эта система мгновенно отключает нагрузку при обнаружении постоянного тока, предотвращая повреждение дорогостоящих динамиков.

Проблемы реализации и пути их решения

Несмотря на многочисленные преимущества, бестрансформаторные двухтактные усилители сталкиваются с определенными сложностями в реализации:

1. Трудность подбора комплементарных пар: Идеальная работа двухтактной схемы требует максимальной симметрии характеристик транзисторов n-p-n и p-n-p типа. Однако на практике найти транзисторы с абсолютно идентичными параметрами (коэффициентом усиления, температурной зависимостью и т.д.) крайне сложно, особенно для мощных приборов. Несоответствие параметров приводит к асимметрии плеч и, как следствие, к увеличению нелинейных искажений (прежде всего четных гармоник).
2. Необходимость двух противофазных входных сигналов: Классическая комплементарная пара требует подачи на базы транзисторов двух противофазных входных сигналов, которые при этом не должны быть подключены к общей шине. Это усложняет схему драйвера (предварительного усилителя) и может ухудшать помехозащищенность.

Для решения этих проблем на практике широко применяются различные схемотехнические ухищрения:

• Использование интегральных комплементарных пар или сборок: Производители предлагают специализированные интегральные микросхемы, содержащие подобранные комплементарные пары транзисторов в одном корпусе, что гарантирует высокую степень согласования параметров.
• Схема Дарлингтона: Для повышения коэффициента усиления по току и улучшения согласования часто применяются составные транзисторы, например, по схеме Дарлингтона. Это позволяет одному транзистору управлять другим, обеспечивая высокий коэффициент усиления и упрощая задачу формирования управляющего сигнала.
• Токовые зеркала и стабилизаторы тока: Для обеспечения стабильности рабочей точки и симметрии плеч активно используются токовые зеркала и прецизионные стабилизаторы тока, компенсирующие температурные дрейфы и различия в параметрах транзисторов.
• Глубокая отрицательная обратная связь (ООС): Как будет рассмотрено далее, ООС является мощным инструментом для компенсации нелинейностей и асимметрии, позволяя значительно улучшить характеристики усилителя, даже при использовании неидеальных компонентов.

Роль отрицательной обратной связи (ООС) в двухтактных усилителях: глубокое влияние на характеристики

В схемотехнике усилителей мало что может сравниться по значимости с отрицательной обратной связью (ООС). Это не просто дополнительный элемент, а фундаментальный принцип, способный радикально преобразить поведение усилителя, улучшив практически все его ключевые параметры. В двухтактных усилителях, стремящихся к максимальной линейности и стабильности, роль ООС становится особенно критичной.

Принцип действия и основные эффекты

Обратная связь – это процесс, при котором часть выходного сигнала усилителя передается обратно на его вход. Если этот сигнал вычитается из входного, то говорят об отрицательной обратной связи. Математически это выражается через коэффициент усиления с обратной связью (K_ОС):

KОС = KU / (1 + β · KU)

где K_U – коэффициент усиления усилителя без обратной связи, а β – коэффициент передачи цепи обратной связи. Величина (1 + β · K_U) часто называется фактором обратной связи или глубиной ООС.

Введение ООС оказывает значительное воздействие практически на все основные параметры усилителя, существенно улучшая его свойства:

1. Снижение коэффициента усиления: Это наиболее очевидный эффект. Коэффициент усиления усилителя с ООС всегда меньше, чем без нее. Однако это «жертвоприношение» окупается улучшением других параметров.
2. Стабилизация коэффициента усиления: При глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления почти не зависит от изменения параметров самого усилителя (температурных дрейфов, старения компонентов, разброса характеристик транзисторов). Относительное изменение коэффициента усиления при наличии ООС в (1 + β · K_U) раз меньше, чем без обратной связи. Это критически важно для серийного производства и долгосрочной стабильной работы.
3. Изменение входного и выходного сопротивлений: Введение ООС изменяет в (1 + β · K_U) раз входное и выходное сопротивления усилителя. В зависимости от способа соединения цепи ООС со входом и выходом (последовательное по напряжению, параллельное по току и т.д.), эти сопротивления могут как увеличиваться (для входного), так и уменьшаться (для выходного), что позволяет оптимизировать усилитель для конкретной нагрузки и источника сигнала.

Количественное влияние на полосу пропускания и искажения

Глубина ООС играет ключевую роль в количественном улучшении двух наиболее важных характеристик усилителя: полосы пропускания и нелинейных искажений.

1. Расширение полосы пропускания: Введение ООС приводит к значительному расширению полосы пропускания и уменьшает частотные и фазовые искажения, делая амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) более равномерной. Полоса пропускания усилителя увеличивается обратно пропорционально уменьшению коэффициента усиления. Если коэффициент усиления уменьшается в (1 + β · K_U) раз, то полоса пропускания увеличивается во столько же раз. Например, если произведение полосы пропускания на коэффициент усиления составляет 1 МГц, а коэффициент усиления с ООС равен 10, то полоса пропускания может быть расширена до 100 кГц. Это позволяет двухтактным усилителям достигать выдающихся частотных характеристик, охватывая весь звуковой диапазон с запасом.
2. Уменьшение нелинейных искажений и помех: ООС является мощнейшим инструментом для борьбы с нелинейными искажениями и помехами. Введение ООС уменьшает нелинейные искажения и помехи в (1 + β · K_U) раз, где (1 + β · K_U) — фактор обратной связи, или «глубина ООС». Чем больше этот фактор, тем меньше нелинейные искажения. Глубина ООС часто выражается в децибелах. Для подавления нелинейных искажений может потребоваться глубина ООС, например, 17,2 дБ или 23,5 дБ, что соответствует многократному (в 7-15 раз) уменьшению искажений. Кроме того, ООС приводит к повышению линейности амплитудной характеристики и увеличению динамического диапазона устройства, что критически важно для высококачественного звуковоспроизведения.

Проблема устойчивости и частотно-зависимая ООС

Несмотря на все свои преимущества, отрицательная обратная связь не является панацеей и может нести в себе риски. Главная проблема – это потеря устойчивости и возникновение автоколебаний (самовозбуждения усилителя). Это происходит, если на некоторой частоте фазовый сдвиг в цепи обратной связи достигает 180°, и обратная связь, вместо того чтобы быть отрицательной, становится положительной. В этом случае усилитель начинает генерировать сигнал самостоятельно, превращаясь из усилителя в генератор.

Для предотвращения самовозбуждения и для формирования требуемой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) часто применяются частотно-зависимые цепи ООС. Эти цепи содержат реактивные элементы (конденсаторы, индуктивности), которые изменяют величину и фазу обратной связи в зависимости от частоты. Это позволяет «срезать» коэффициент усиления на высоких частотах, где фазовые сдвиги становятся критическими, и обеспечить стабильную работу усилителя во всем рабочем диапазоне. В усилителях с ООС свойства усилителя определяются в основном именно цепью обратной связи, что дает схемотехнику мощный инструмент для точной настройки характеристик.

Расчет и оптимизация параметров двухтактных усилителей: от теории к практике

Проектирование двухтактного усилителя — это не только искусство схемотехники, но и точный инженерный расчет. Чтобы создать устройство с заданными характеристиками, необходимо тщательно определить режим работы по постоянному и переменному току, а также учесть множество факторов, влияющих на конечный результат.

Основные параметры для расчета

При проектировании двухтактного усилителя мощности необходим комплексный расчет, который охватывает как статические (по постоянному току), так и динамические (по переменному току) характеристики. Ключевыми параметрами, подлежащими расчету, являются:

1. Выходная мощность в нагрузке (P_Н): Это одна из главных характеристик усилителя, определяющая, какую мощность он способен передать в нагрузку. Расчет P_Н производится исходя из напряжения питания, типа транзисторов и сопротивления нагрузки.
2. Сопротивление нагрузки (R_Н): Выбор R_Н (например, 4, 6 или 8 Ом для акустических систем) напрямую влияет на выходную мощность и оптимальный режим работы усилителя.
3. Коэффициент полезного действия (КПД): Расчет КПД позволяет оценить экономичность усилителя и его тепловыделение. Для двухтактных усилителей, как было отмечено, этот показатель может быть значительно выше, чем для однотактных.
4. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ): Определение КНИ является критически важным для оценки качества выходного сигнала. Расчет КНИ позволяет спрогнозировать уровень гармонических искажений, которые будут присутствовать в усиленном сигнале.

Эти расчеты обычно включают определение токов покоя, амплитуд напряжений и токов на выходе, а также выбор оптимальных режимов работы транзисторов для достижения требуемых характеристик.

Учет асимметрии плеч и ее влияние на искажения

Одной из самых сложных задач при проектировании двухтактных усилителей, особенно бестрансформаторных, является обеспечение идеальной симметрии плеч. Полной симметрии транзисторов n-p-n и p-n-p типов добиться крайне трудно из-за технологических особенностей их производства. Это несовершенство приводит к асимметрии в работе плеч, что в свою очередь увеличивает нелинейные искажения.

Для количественного учета этого фактора в формулы нелинейных искажений вводится коэффициент асимметрии (b). Этот коэффициент отражает степень различия в характеристиках транзисторов, составляющих комплементарную пару.

• Для хорошо подобранных транзисторов или для сборок в интегральном исполнении, где производитель гарантирует высокую степень согласования, коэффициент асимметрии очень мал: b = 0,01…0,05. В таких случаях нелинейные искажения, обусловленные асимметрией, настолько незначительны, что ими часто пренебрегают при расчетах, особенно если применяется глубокая отрицательная обратная связь.
• Для неподобранных транзисторов, где разброс параметров может быть значительным, коэффициент асимметрии может достигать b = 0,1…0,15. В этих случаях пренебрегать влиянием асимметрии на нелинейные искажения нельзя. Для определения КНИ используются специальные формулы, которые учитывают эту асимметрию, позволяя оценить реальное качество работы усилителя. Эти формулы, как правило, опираются на метод цепных подстановок, который позволяет последовательно оценить вклад каждого фактора в общие искажения.

Понимание и учет коэффициента асимметрии позволяют инженеру принимать обоснованные решения на этапе выбора компонентов и схемотех��ических решений, минимизируя нежелательные искажения.

Методы повышения линейности

Помимо тщательного расчета, существует ряд методик, направленных на оптимизацию характеристик двухтактных усилителей, в первую очередь на повышение их линейности:

1. Применение отрицательной обратной связи (ООС): Как было подробно рассмотрено, ООС является наиболее эффективным инструментом для снижения нелинейных искажений, стабилизации коэффициента усиления и расширения полосы пропускания.
2. Использование высококачественных компонентов: Выбор транзисторов с хорошими линейными характеристиками, низким уровнем шумов и высокой температурной стабильностью напрямую влияет на качество усилителя.
3. Термостабилизация рабочей точки: Температурные изменения могут существенно влиять на параметры транзисторов, вызывая дрейф рабочей точки и увеличение искажений. Применение схем термостабилизации (например, диодов или транзисторов, расположенных в тепловом контакте с выходными элементами) позволяет поддерживать стабильный режим работы.
4. Применение схем с токовыми зеркалами и дифференциальными каскадами: Эти элементы позволяют улучшить симметрию плеч и стабилизировать токи, что положительно сказывается на линейности.
5. Использование интегральных микросхем: Современные ИМС УМЗЧ часто содержат внутри себя тщательно подобранные и сбалансированные компоненты, а также интегрированные цепи ООС и защиты, что значительно упрощает задачу проектирования высоколинейных усилителей.
6. Предварительная коррекция: В некоторых случаях применяются специальные схемы предварительной коррекции входного сигнала, которые компенсируют ожидаемые нелинейности выходного каскада.

Детальные методы повышения линейности усилителей, а также специфические формулы для расчета с учетом различных факторов, подробно изложены в справочниках по схемотехнике и специализированной литературе.

Современные тенденции и области применения

Двухтактные усилители, появившись как ответ на проблемы эффективности и искажений однотактных схем, продолжают развиваться и адаптироваться к требованиям современной электроники. Сегодня они являются неотъемлемой частью множества устройств, а их реализация претерпела значительные изменения.

Интегральные микросхемы УМЗЧ

Одной из наиболее заметных тенденций в современной радиотехнике является повсеместное использование интегральных микросхем (ИМС). Двухтактные усилители не стали исключением. В настоящее время выпускаются специализированные интегральные микросхемы усилителей мощности (ИМС УМЗЧ) с самыми разнообразными параметрами, построенные на основе рассмотренных принципов двухтактного усиления.

Эти микросхемы значительно упрощают разработку и производство, поскольку содержат в одном компактном корпусе полный набор элементов — от входных каскадов до выходных транзисторов и цепей защиты. Примеры таких ИМС включают:

• TDA2030A: Эта популярная микросхема способна обеспечивать до 18 Вт выходной мощности при нагрузке 8 Ом и напряжении питания ±18 В. Она отличается низким коэффициентом нелинейных искажений и простотой применения, что делает её идеальным выбором для недорогих, но качественных аудиосистем.
• LM3886: Более мощный вариант, способный выдавать до 68 Вт на 4 Ом или 38 Вт на 8 Ом при напряжении питания ±28 В. LM3886 может похвастаться выдающимися характеристиками: коэффициент нелинейных искажений + шум (КНИ+Ш) составляет всего 0,03% в диапазоне 20 Гц – 20 кГц. Это делает её выбором для более высококачественных аудиоустройств.

Использование таких интегральных микросхем как выходных каскадов усилителей, как правило, не вызывает затруднений, поскольку производители предоставляют подробные технические описания (datasheets) и типовые схемы включения. Это значительно ускоряет процесс разработки и снижает вероятность ошибок.

Расширенное применение ООС

В современной схемотехнике отрицательная обратная связь используется очень широко, и её применение постоянно совершенствуется. Это обусловлено её универсальной способностью значительно улучшать практически все основные параметры усилителя: уменьшение нелинейных искажений, стабилизация коэффициента усиления, расширение полосы пропускания и снижение выходного сопротивления.

Часто применяют не одну, а несколько цепей ООС, охватывая ими как отдельные каскады, так и цепочки каскадов. Это позволяет точечно корректировать характеристики на разных этапах усиления, достигая оптимального баланса между стабильностью, линейностью и частотными свойствами. Так, в современных схемах можно встретить локальную ООС для отдельных транзисторов и общую ООС, охватывающую весь усилитель, что является ключом к достижению высочайшего качества звучания.

Ряд современных усилителей, называемых операционными усилителями (ОУ), спроектированы таким образом, что они применяются только с использованием различных конфигураций ООС. Без внешней цепи обратной связи операционный усилитель обладает чрезвычайно высоким коэффициентом усиления, который легко сваливается в нелинейность. Именно благодаря ООС ОУ превращаются в универсальные «строительные блоки» для создания устройств с заданными характеристиками: повторителей напряжения, сумматоров, интеграторов, дифференциаторов и других функциональных узлов.

Типичные сферы использования

Двухтактные усилители занимают прочное место в самых разных областях радиотехники:

1. Аудиотехника: Это, безусловно, их основная и наиболее известная область применения. Двухтактные усилители являются наиболее распространенной конфигурацией для усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Они используются повсеместно:
   • Домашние аудиосистемы: От бюджетных музыкальных центров до высококлассных Hi-Fi и Hi-End комплексов.
   • Автомобильная аудиотехника: Особенно популярны усилители класса AB, которые представляют собой оптимальный компромисс между качеством звука и КПД в условиях ограниченного энергопотребления и компактности.
   • Профессиональное звуковое оборудование: Концертные усилители, студийные мониторы, системы звукоусиления.
2. Радиосвязь: В передающих устройствах двухтактные усилители используются для усиления мощности радиочастотных сигналов, особенно в классах B и AB, а также класса C для узкополосных сигналов.
3. Измерительная техника: В различных измерительных приборах, где требуется точное усиление сигналов без искажений.
4. Автоматика и системы управления: Для управления исполнительными механизмами, где нужна высокая мощность и точность.
5. Классические ламповые схемы: Несмотря на доминирование транзисторов и ИМС, ламповая техника продолжает пользоваться популярностью среди ценителей «теплого лампового звука». Ламповые двухтактные усилители, такие как знаменитый Marshall 18 Watt на лампах 6Н2П и 6П14П, являются классическими примерами и продолжают производиться и модифицироваться, находя своих поклонников в мире гитарных усилителей и Hi-Fi аудио. Пик развития ламповой техники пришелся на 1960-1970 годы, но её принципы остаются актуальными и сегодня.

Современные тенденции показывают, что двухтактные усилители будут и дальше оставаться краеугольным камнем в проектировании мощных и качественных электронных устройств, постоянно совершенствуясь за счет новых технологий и материалов.

Заключение

Двухтактный усилитель, от своих теоретических основ до современных интегральных реализаций, представляет собой выдающееся достижение в области радиотехники и электроники. Наше исследование позволило не только углубиться в фундаментальные принципы его работы, но и провести детальный анализ ключевых характеристик, которые определяют его эффективность, линейность и область применения.

Мы выяснили, что основной принцип «тяни-толкай», где каждое плечо усиливает свою полуволну сигнала, обеспечивает значительные преимущества перед однотактными схемами, в частности, возможность достижения высокого КПД (до 78,5% в классе B, 50-60% в классе AB) и частичную компенсацию нелинейных искажений. Анализ классов работы — от высоколинейного, но неэкономичного класса А (с КНИ до 0,001%), до высокоэффективного класса D (КПД более 90%) — показал многообразие компромиссов, которые инженеры делают при проектировании. Класс AB, с его балансом между качеством и экономичностью, остается наиболее востребованным для большинства аудиоприложений.

Особое внимание было уделено бестрансформаторным двухтактным усилителям, которые благодаря своей дешевизне, малому весу (снижение массы в несколько раз) и широкой полосе частот (до 200 кГц) доминируют в современной схемотехнике. Способность обеспечивать малое выходное сопротивление (менее 0,1 Ом) для работы с низкоомными нагрузками является их неоспоримым преимуществом. Однако мы также рассмотрели вызовы, связанные с подбором комплементарных пар и необходимостью двухполярного питания, а также пути их решения через схемы Дарлингтона и интегральные решения.

Критически важной частью исследования стала роль отрицательной обратной связи (ООС). Количественный анализ показал, что ООС не просто качественно улучшает параметры, но и изменяет их в (1 + β · KU) раз, снижая КНИ и помехи, стабилизируя усиление и расширяя полосу пропускания. Примеры глубины ООС в децибелах (17,2-23,5 дБ) наглядно демонстрируют её эффективность. При этом была подчеркнута необходимость учета проблемы устойчивости и применения частотной коррекции.

В сфере расчета и оптимизации мы акцентировали внимание на таких параметрах, как выходная мощность, КПД и КНИ, а также на важности учета коэффициента асимметрии плеч, который может существенно влиять на искажения.

Наконец, обзор современных тенденций показал, что интегральные микросхемы УМЗЧ (например, TDA2030A, LM3886) продолжают упрощать разработку и повышать доступность высококачественных усилителей. Расширенное использование множественных цепей ООС и широкое применение в аудиотехнике, радиосвязи, измерительной технике подтверждают неизменную актуальность двухтактных схем.

Таким образом, глубокое понимание теоретических основ, схемотехнических решений и практических аспектов двухтактных усилителей является краеугольным камнем для любого специалиста в области радиотехники и электроники. Дальнейшее развитие в этой области, вероятно, будет связано с совершенствованием материалов, повышением степени интеграции и дальнейшей оптимизацией энергоэффективности, что позволит двухтактным усилителям сохранять свои позиции в авангарде электронной техники.

Список использованной литературы

1. Тимошенко А. Двухтактный Лофтин-Уайт // Радиолюбитель. 2010. №9. С. 13.
2. Дмитриев Д. Оценка влияния переходных конденсаторов на звучание усилителя // Вестник АРА. Спецвыпуск. С. 15-17.
3. Двухтактные усилители // Цифровая техника в радиосвязи. URL: https://digteh.ru/TeorOsnov/UstroyUcil/DvUcil/ (дата обращения: 11.10.2025).
4. Влияние обратных связей на основные параметры усилителя // Radiomaster.ru. URL: https://radiomaster.ru/articles/view/vliyanie-obratnyh-svyazey-na-osnovnye-parametry-usilitelya/ (дата обращения: 11.10.2025).
5. Обратная связь и её влияние на параметры усилителя. URL: https://studfile.net/preview/4351347/page/11/ (дата обращения: 11.10.2025).
6. Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики усилителя. URL: https://studfile.net/preview/6682701/page/6/ (дата обращения: 11.10.2025).
7. Схемотехника двухтактных усилительных каскадов, Бестрансформаторные каскады с параллельным управлением двухфазным напряжением // Studref.com. URL: https://studref.com/346857/tehnika/shemotehnika_dvuhtaktnyh_usilitelnyh_kaskadov (дата обращения: 11.10.2025).
8. Расчёт двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности // Мир электроники. URL: https://meanders.ru/raschet-dvux-taktovogo-bestransformatornogo-um.html (дата обращения: 11.10.2025).
9. Расчет двухтактного усилителя мощности. URL: https://studfile.net/preview/5005952/page/28/ (дата обращения: 11.10.2025).
10. Принцип работы двухтактного трансформаторного усилителя мощности // РадиобукА. URL: https://radiobook.ru/analoguet/power-amplifier-push-pull.html (дата обращения: 11.10.2025).
11. Амплитудно-частотная характеристика усилителя с о.О.С. URL: https://studfile.net/preview/2607185/page/37/ (дата обращения: 11.10.2025).
12. Ежков Ю. С. Справочник по схемотехнике усилителей. 2-е изд. // LibCats. URL: https://libcats.org/books/248316 (дата обращения: 11.10.2025).
13. Ежков Ю. С. Справочник по схемотехнике усилителей. 2-е изд. // RadioHata.com. URL: https://radiohata.com/books/shemotehnika_usiliteley_ejkov.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
14. Влияние оос на амплитудно-частотную характеристику. URL: https://studfile.net/preview/2610547/page/29/ (дата обращения: 11.10.2025).
15. Бестрансформаторные усилители мощности // Схемотехника аналоговых электронных устройств — Bstudy. URL: https://bstudy.net/609028/tehnika/bestransformatornye_usiliteli_moschnosti (дата обращения: 11.10.2025).
16. Двухтактный усилитель мощности: устройство, принцип действия, диаграммы работы. URL: https://studfile.net/preview/10362372/page/10/ (дата обращения: 11.10.2025).
17. Бестрансформаторные усилители мощности – схема и принцип работы // в энергетике. URL: https://venergetike.ru/bestransformatornye-usiliteli-moshchnosti-sxemy-ustrojstvo-princip-raboty.html (дата обращения: 11.10.2025).
18. Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности с односигнальным управлением, Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности с питанием от двух источников, Двухтактный усилитель мощности схеме Дарлингтона // Усилитель звуковой частоты с двухтактным бестрансформаторным выходным каскадом — Studbooks.net. URL: https://studbooks.net/1381333/tehnika/dvuhtaktnyy_bestransformatornyy_usilitel_moschnosti_odnosignalnogo_upravleniya (дата обращения: 11.10.2025).
19. Обратные связи в трактах усиления. URL: https://studfile.net/preview/2403248/page/10/ (дата обращения: 11.10.2025).
20. Отрицательная обратная связь в усилителе // AudioKiller’s site. URL: https://audiokiller.net/articles/theory/nfb (дата обращения: 11.10.2025).
21. Двухтактные усилители мощности. URL: https://studfile.net/preview/6682701/page/10/ (дата обращения: 11.10.2025).
22. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности для радиоприемника // РадиобукА. URL: https://radiobook.ru/analoguet/bestransformatornyy-dvukhtaktnyy-um.html (дата обращения: 11.10.2025).
23. Характеристики усилителей с ООС. URL: https://studfile.net/preview/5005952/page/47/ (дата обращения: 11.10.2025).
24. Обратные связи в усилителях. URL: https://studfile.net/preview/10006733/page/25/ (дата обращения: 11.10.2025).
25. Обратная связь в усилителях. URL: https://studfile.net/preview/10006733/page/81/ (дата обращения: 11.10.2025).
26. Обратная связь и операционные усилители // Kit-e.ru. 2004. №12. URL: https://www.kit-e.ru/articles/ampl/2004_12_98.php (дата обращения: 11.10.2025).
27. Двухтактные усилители // Схемо- и системотехника электронных средств — Bstudy. URL: https://bstudy.net/609028/tehnika/dvuhtaktnye_usiliteli (дата обращения: 11.10.2025).
28. Двухтактный усилитель мощности. URL: https://studfile.net/preview/5005952/page/27/ (дата обращения: 11.10.2025).
29. Исследование двухтактного усилителя мощности. URL: https://studfile.net/preview/9913165/page/1/ (дата обращения: 11.10.2025).
30. Обратная связь. Влияние отрицательной обратной связи (ООС) на основные качественные показатели усилительных устройств // Цифровая техника в радиосвязи. URL: https://digteh.ru/TeorOsnov/ObratSv/OtrikObratSv/ (дата обращения: 11.10.2025).
31. Двухтактный усилитель мощности класса A // CoderLessons.com. URL: https://coderlessons.com/articles/electronics/push-pull-class-a-power-amplifier (дата обращения: 11.10.2025).
32. Двухтактный усилитель? // Словари и энциклопедии на Академике. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/2096/%D0%94%D0%B2%D1%83%D1%85%D1%82%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9 (дата обращения: 11.10.2025).
33. Однотактные и двухтактные усилители мощности // Студопедия. URL: https://studopedia.ru/13_16035_odnotaktnie-i-dvuhtaktnie-usiliteli-moshchnosti.html (дата обращения: 11.10.2025).
34. Преимущества двухтактных усилителей мощности. URL: https://studfile.net/preview/2034937/page/14/ (дата обращения: 11.10.2025).
35. Однотактные и двухтактные ламповые усилители: особенности звучания // Аудиомания. URL: https://www.audiomania.ru/content/item/352/ (дата обращения: 11.10.2025).
36. Двухтактный усилитель звука на 6П14П по схеме Marshall // YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=S2fF_B9Qj0s (дата обращения: 11.10.2025).
37. Усилитель мощности — проектирование и расчет.pdf. URL: https://studfile.net/preview/9913165/page/6/ (дата обращения: 11.10.2025).
38. Двухтактный каскад, работающий в классе А // Основы электроакустики. URL: https://studfile.net/preview/2403248/page/22/ (дата обращения: 11.10.2025).