Оконечный каскад с трансформаторным выходом

 

Такого рода усилители применяют при необходимости обеспе­чить гальваническую развязку каскадов или для получения значи­тельного коэффициента усиления по мощности при минимальных нелинейных искажениях сигнала. В частности такие усилители ши­роко распространены в линейных системах многоканальной связи.

 

Рис. 11.

Для их построения используют схему ОЭ, работающую в режи­ме класса А. При этом последовательно с коллектором транзистора включается первичная обмотка трансформатора, а нагрузка под­ключается к его вторичной обмотке (рис. 11.). Поэтому сопротив­ление постоянному току в коллекторной цепи относительно мало, а статическая линия нагрузки ЛН⁼ проходит почти вертикально че­рез точку, лежащую на оси абсцисс U_кэ ≈ Е (рис. 11.). Динамиче­ская линия нагрузки ЛН^~ обязательно проходит через точку покоя под углом α (см. раздел 1.2.1).

Существует некоторое оптимальное значение эквивалентного сопротивления R_к~.опт, при котором ψ → 1 и ξ → 1. Тогда максимально используются усилительные качества выбранного транзистора, а к.п.д. каскада стремится к предельному значению η _к = 0, 5.

Поэтому, с целью повыше­ния коэффициентов использо­вания тока и напряжения точ­ку покоя выбирают с коорди­натами

 

. (54)

 

Максимальная мощность будет передаваться в нагрузку при выполнении условия R_вык.к= R_н (см. формулу 25). Выше было показано, что выходное сопротивление каскада ОЭ определяется сопротивле­нием коллекторного резистора. В трансформаторном каскаде экви­валентное сопротивление коллекторной цепи транзистора перемен­ному току R_к~ и сопротивление нагрузки Кн связаны выражением

 

, (55)

 

где r₁ и r₂ - омическое сопротивление первичной и вторичной об­моток трансформатора;

n= w₁/w₂ - коэффициент трансформации.

Поскольку r₁ и r₂ значительно меньше R_н, то в практических расчетах ими обычно пренебрегают и

, (56)

 

тогда коэффициент трансформации

 

. (57)

 

Из формулы (57) следует, что можно добиться оптимального согласования каскада с нагрузкой соответствующим выбором ко­эффициента трансформации. Поскольку линии нагрузки по посто­янному и по переменному току пересекаются в одной точке, то эквивалентное сопротивление коллекторной цепи для оптимальных условий согласования R_{к~ опт} определяется как

. (58)

 

Подставляя R_{к~ опт} в формулу (57) и, учитывая при этом соотношения (54), окончательно получаем

 

. (59)

Из графика (рис. 12) видно, что максимальное напряжение на коллекторе транзистора получается почти вдвое больше напряже­ния источника питания. Это объясняется свойством трансформатора запасать электромагнитную энергию, а при уменьшении тока воз­вращать ее в виде ЭДС самоиндукции. Поэтому транзисторы сле­дует выбирать, учитывая соотношение

 

. (60)

 

Коэффициент полезного действия каскада η складывает­ся из к.п.д. коллекторной цепи и к.п.д. трансформатора. С учетом выражения (29) можно записать

 

, (61)

 

где η _тр - к.п.д. трансформатора, который выбирается в зависимо­сти от мощности усилителя из таблицы 1.4.1.

 

 

Таблица 1.4.1

Рн [вт]	0, 1	0, 1...1	1...10	10...100
η тр	0, 65	0, 65...0, 75	0, 75...0, 85	0, 84...0, 93

 

 

Полезная мощность, выделяющаяся в нагрузке

 

, (62)

 

где Р_вых - выходная мощность каскада,

тогда, учитывая (29) и (30), мощность, рассеиваемая транзистором

 

. (63)

 

Коэффициент усиления по напряжению определяется с учетом коэффициента трансформации

 

. (64)

 

В выходной цепи усилителя мощности протекают значительные токи, поэтому для уменьшения мощности потерь на резисторе R_э в соотношении (6) используют минимальный эмпирический коэффи­циент.

 

 

1.5. Двухтактный бестрансформаторный оконечный каскад

 

Бестрансформаторные оконечные каскады выполняют по двух­тактным схемам на транзисторах, работающих в режиме В или АВ. Поскольку транзисторы работают поочередно, то для обеспечения симметричности выходного напряжения транзисторы должны иметь идентичные характеристики. Каскады, в которых используются транзисторы с различным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n) называются каскадами с дополнительной симметрией, а сами транзисторы - комплементарной парой. Например: ГТ403 и ГТ404, КТ502 и КТ503, КТ814 и КТ815, КТ816 и КТ817 и др.

 

Рис. 13.

Известно, что в режиме В двухтактные каскады имеют наи­больший к.п.д., однако вследствие существенной нелинейности на­чальных участков входных характеристик транзисторов (особенно мощных) возникают специфические искажения сигнала типа " ступенька". Поэтому реальные усилители чаще работают в режиме АВ, который позволяет устранить эти искажения путем введения небольшого начального смещения одновременно на базы обоих транзисторов, сохраняя при этом высокие энергетические показате­ли каскада.

Одна из возможных схем оконечного каскада показана на рис. 13. В этом каскаде оба транзистора включены по схеме ОК. В статическом режиме ток в нагрузке отсутствует, так как небольшие начальные токи, протекающие через транзисторы VТ1 и VТ2 вза­имно вычитаются. Начальное смещение на базах транзисторов за­дается с помощью делителя R1, R2, RЗ, VD1, VD2, причем собст­венно напряжение смещения создается на последовательно вклю­ченных VD1, VD2 и резисторе R2.

Одновременно осуществляется температурная стабилизация тока покоя. Этот принцип термостабилизации основан на том, что с рос­том температуры ток диода возрастает, а падение напряжения на нем уменьшается. Для более точного отслеживания колебаний тем­пературы диоды необходимо располагать в непосредственной бли­зости от транзисторов, а лучше всего на их радиаторах. Кроме то­го, диоды должны быть изготовлены из того же материала, что и транзисторы, а их число равно количеству транзисторов оконечного каскада. Для точной настройки напряжения смещения включают переменный резистор R2 сопротивлением 18...200 Ом в зависимо­сти от типов транзисторов.

Величина напряжения смещения U_бп может быть определена графоаналитическим способом и соответствует абсциссе точки пере­сечения касательной к прямолинейной части проходной характеристики транзистора с осью напряжений (рис. 14.). Здесь же определяется и ток коллектора в точке покоя I_кп. Затем по входной характеристике транзистора для напряжения U_бп находят ток базы I_бп. Таким образом, режим покоя оказывается заданным, а полученные ве­личины токов и напряжений используются для расчета режимных элементов схемы.

В эмиттерную цепь выходных транзисторов часто включают резисторы местной ООС R4 и R5, которые позво­ляют несколько снизить требования к идентичности параметров транзисторов. Сопротивление этих резисторов невелико и выбира­ется на уровне

 

. (65)

 

Потенциалы точек А и Б (рис. 13.) относительно эмиттеров со­ответствующих транзисторов (точка В) в симметричной схеме ока­зываются равными. При повышении температуры увеличиваются базовые токи, протекающие через резисторы R1 и R3 соответствен­но. Для того, чтобы это не привело к изменению потенциалов точек А и Б, необходимо выбирать ток делителя в 5...10 раз больше ба­зовых токов VT1 и VT2 в режиме покоя. В этом случае при ис­пользовании двуполярного симметричного питания каскада сопро­тивление резисторов R1 и R3 можно определить по формуле

 

. (66)

По переменному току считают, что базы транзисторов соединены между собой из-за малого дифференциального сопротивления дио­дов. При подаче входного сигнала в зависимости от его фазы транзисторы работают поочередно, поэтому достаточно выполнить ана­лиз и расчет только одного плеча каскада.

Выше было показано, что для расчета эмиттерного повторителя допустимо использование выходных ВАХ транзисторов для схемы ОЭ. Очевидно, что нагрузкой каскада и по постоянному и по переменному току будет резистор R_н. Поскольку сопротивления резисторов R4 и R5 невелики, то ими в первом приближении пренебрегают, и тогда динамическую линию нагрузки проводят через точку U_кэ = E на оси абсцисс под углом (рис.15.). Методика построе­ния ЛН^~ изложена в разделе 1.2

Для схемы, изображенной на рис. 13. коэффициент использова­ния напряжения питания

 

, (67)

 

тогда амплитуда коллекторного тока определяется как

 

. (68)

Каждое плечо потребляет мощность от источника питания

 

, (69)

тогда полная потребляемая мощность

 

. (70)

Известно, что для косинусоидального тока I_ср = I_кА/π и, учиты­вая (68), получаем

 

. (71)

Мощность сигнала в нагрузке определяется выражением

 

, (72)

 

тогда, учитывая (67), получим

 

. (73)

 

Суммарная мощность, рассеиваемая на коллекторах двух транзисторов, равна 2P_р = P0 - P_н. Полагая, что на каждом транзисторе рассеивается одинаковая мощность, получим

 

. (74)

 

Максимум рассеиваемой мощности имеет место при и равен

 

. (75)

 

Из уравнения (75) следует, что . Подставляя это значение в (73), получим

 

, (76)

 

откуда следует, что полезная мощность может превышать мощ­ность, рассеиваемую коллектором транзистора.

При проектировании реальных усилителей мощности задаются величиной , тогда выражение (76) преобразуется к виду

 

. (77)

 

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Глава 7. Каскадные таблицы стилей — CSS
2. Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току.
3. Регулирование скорости асинхронных двигателей в каскадных схемах
4. Схемы двухкаскадных усилителей с обратной связью
5. Усилительный каскад с общим коллектором (ОК)
6. Электрические режимы работы каскада
7. Я думаю, что нашла решение. Оно тремя этажами выше, и никто не смотрит за пожарным выходом.