Усилителя мощности в режиме А.

Проведем графо-аналитический расчет основных характеристик усилителя мощности (P _~, η, К_г). Для этого необходимо построить выходную динамическую характеристику для выбранного транзистора. На семействе выходных статистических характеристик построим нагрузочную прямую по постоянному току (ВДХ₌). Для этого из точки Е на горизонтальной оси проведем прямую, параллельную вертикальной оси, так как R _н= = r ₁ ® 0. Обозначим рабочую точку, и, опустив перпендикуляры на горизонтальные оси, определим U ₀ и I ₀. Сопротивление нагрузки переменной составляющей в трансформаторном каскаде равно R _н~ = r ₁ + r ₂ ^¢ + R _н ^¢» R _н ^¢, где R _н ^¢ = R _нвн / n ², r ₂ ^¢ = r ₂ / n ², n = w ₂ / w ₁, w-количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Через рабочую точку и точку на горизонтальной оси равной U _вых = U ₀ + I ₀ R _н~, проведем выходную динамическую характеристику по переменному току (ВДХ_~) рис.5.2. При заданной амплитуде входного сигнала определяем амплитудные значения выходного тока I _твых и выходного напряжения U _твых. Максимальное значение амплитуды выходного тока определяется I _твых = I ₀, выходного напряжения U _твых = U ₀. Следовательно, максимальная полезная мощность определяется P _~ = I _твых U _твых /2 = 0,5 x U ₀ y I ₀,

где: x= U _твых / U ₀ – коэффициент использования напряжения питания,

   y= I _твых / I ₀ - коэффициент использования тока покоя.

Потребляемая мощность P ₀ = I ₀ Е= I ₀ U ₀. Коэффициент полезного действия определяется η = P _{~ max} / P ₀ =0,5 x y. При полном использовании напряжения питания и тока покоя I _твых = I ₀, U _твых = U ₀. Поэтому максимальный коэффициент полезного действия будет равен η_max =0,5.

Таким образом, однотактный трансформаторный усилитель мощности в режиме А обеспечивает КПД до значения 0,5. Мощность рассеивания на коллекторе P _к = P ₀ - P _~. В случае отсутствия входного сигнала P _~ =0, то есть в режиме молчания, следовательно, P _к = P ₀. Вся потребляемая мощность рассеивается на коллекторе и вызывает разогрев транзистора, что является большим недостатком однотактного усилителя мощности.

 

 

Рисунок 5.2 - Анализ трансформаторного усилителя мощности в режиме А.

 

Для определения коэффициента гармоник используется сквозная динамическая характеристика. Построение сквозной динамической характеристики и расчет коэффициента гармоник необходимо рассмотреть самостоятельно.

 

 

Лекция 24. Двухтактные выходные каскады (Занятие 2.1.11).

Вопросы:

1.Резисторные двухтактные усилители напряжения.

2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности.

3. Работа двухтактного каскада в режиме В.

4. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности.

Фазоинверсные схемы.

 

Вопрос 1. Резисторные двухтактные усилители напряжения.

 

Двухтактными называют каскады, содержащие два усили­тельных элемента, работающих в противофазе на общую нагрузку, рис.1.1.

Резисторные двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада, которые называются плечами и работают в противофазе. Плечи двухтактного усилителя объединены общим проводом и источником питания. В отличие от однотактных усилителей двухтактные усилители имеют симметричный вход, т.е. на вход двухтактного усилителя подается симметричный усиливаемый сигнал (двухфазное напряжение, сдвинутое по фазе на 180^o и имеющее равные амплитуды).

Следовательно, между однотактным предварительным усилителем и двухтактным выходным каскадом должно быть предусмотрено устройство, преобразующее несимметричное однофазное напряжение в симметричное. Схемы такого назначения называют фазоинверсными.

Так как плечи двухтактной схемы работают в противофазе, то в режиме А одинаковые по величине и противоположные по направлению токи сигнала в общем проводе эмиттеров компенсируются. Поэтому R _э не нуждается в шунтировании конденсатором С_{э .}

 

Рисунок 1.1 - Резисторный двухтактный усилитель.

 

Вопрос 2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

 

Двухтактные транзисторные каскады находят самое широкое применение в усилителях мощности. Рассмотрим принципиальную схему двухтактного трансформаторного усилителя мощности, рис.2.1

В отличие от резисторного каскада трансформаторное включение позволяет объединить нагрузку плеч. Из-за большого разброса параметров каскады с общей эмиттерной стабилизацией R ₅ получается ассиметрия плеч. Поэтому для симметрирования плеч в цепи эмиттеров каждого транзистора обычно включают подстроечные небольшие резисторы R _э1 и R _э2.

 

Рисунок 2.1 -  Двухтактный трансформатор усилителя мощности.

 

В качестве фазоинверсной схемы на входе двухтактного усилителя мощности может быть использован трансформатор с заземленной средней точкой во вторичной обмотке. В этом случае принципиальная схема двухтактного усилителя имеет следующий вид, рис.2.2.

 

Рисунок 2.2 - Выходной каскад с согласующим трансформатором.

 

В этой схеме используется два трансформатора: Тр.1 – согласующий, Тр.2 – выходной. Применение согласующего трансформатора позволяет объединить делители для подачи смещения. В режиме В использование эмиттерной стабилизации приводит к дополнительным нелинейным искажениям, поэтому в этой схеме используется температурная стабилизация.

 

Вопрос 3. Работа двухтактного каскада в режиме В.

 

Основным достоинством двухтактного каскада является возможность использования экономичного режима В без заметных нелинейных искажений. Последнее объясняется свойством двухтактной схемы компенсировать четные гармоники. Если двухтактный каскад выполнен на однотипных усилительных элементах, то их воз­буждение ведется от источника двухфазного (0° и 180°) напряжения, получаемого от фазоинверсного каскада или трансформатора, вторич­ная обмотка которого имеет вывод от средней точки, соединенной с общим проводом.

Если в рассматриваемый момент времени полярность U _вх1 отрицательная, то V₁ открывается, следовательно коллекторный ток  возрастает на некоторую величину , в то время как коллекторный ток второго транзистора  уменьшается , так как фазы U _вх1 и U _вх2 отличаются на 180°.

Первичная обмотка выходного трансформатора наматывается в одну сторону и от ее середины делается отвод. Через первичную об­мотку протекают следующие токи: - полный коллекторный ток первого транзистора   и полный коллекторный ток второго транзистора .    

Магнитное действие токов  и  взаимно противоположны, т.к. они протекают в противоположных направлениях. Поэтому результирующее значение магнитодвижущей силы пропорцио­нально разности:

.

Разность полных токов удобно рассматривать как некоторый эк­вивалентный намагничивающий ток

, и представлять как сумму двух составляющих: постоянной и переменной

.

 Если динамические характеристики совпадают, то ; , .

В момент покоя коллекторные токи транзисторов создают маг­нитные статические поля, равные и взаимно противоположные по нап­равлению, в результате чего постоянное магнитостатическое поле в сердечнике выходного трансформатора отсутствует.

Это является важным преимуществом, так как при этом увеличиваетя индуктивность первичной обмотки, вследсвии чего уменьшается коэффициент и уровень нели­нейных искажений, создаваемых самим трансформатором. Все это поз­воляет снизить массу и габаритные размеры трансформатора. Другим преимуществом является отсутствие четных гармоник и связанных с ними комбинационных частот:

В соответствии с последним выражением разностный ток не содержит четных гармоник, что уменьшает коэффициент нелинейных искажений.

В двухтактных усилителях потребляемый ток I _кср =2 i _{к max} / p зависит от амплитуды сигнала. При малых амплитудах или отсутствии сигнала I _кср ® 0. Следовательно, потребляемая мощность незначительна. Вследствие чего двухтактный усилитель мощности по сравнению с однотактным имеет высокую эффективность и экономичность (напомним, что в режиме А потребляемая мощность от амплитуды сигнала не зависит). Поэтому двухтактные каскады в режиме В применяются в аппаратуре с аккумуляторным питанием при любой мощности выходного сигнала.

                 

 

Рисунок 3.1 - Графики токов в двухтактном каскаде.

 

Наконец, к числу преимуществ двухтактного каскада следует отнести то обстоятельство, что общий потребляемый ток, протекающий через источник питания, не содержит составляющие основной частоты. Переменные составляющие токов i ^¢ _к~ и i ^¢¢ _к~ взаимно компенсируются.

Отсутствие в цепи источника питания основной частоты позволяет исключить шунтирующую емкость С_э и уменьшить емкость развязывающего фильтра C _ф. Следует отметить, что указанные преимущества в полной мере реализуются только при симметрии плеч. В двухтактной трансформаторной схеме в режиме класса "В" без исходного смещения характерны искажения типа «ступеньки» (рис.3.2.).

 

Рисунок 3.2 - Искажения типа ступеньки.

 

Для уменьшения этих искажений на базы транзисторов подается не­большое напряжение смещения, равное абсциссе точки пересечения касательной, проведенной через точку, расположенную на прямолинейной части характеристики, с осью абсцисс, рис.3.3.

 

Рисунок 3.3 - Сопряжение проходных характеристик транзисторов в двухтактном усилителе с исходным смещением и диаграмма тока.

 

Вопрос 4. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

 

Анализ усилителя мощности из-за больших амплитуд сигналов проводят графоаналитическим методом с построением нагрузочных прямых, рис.4.1.

Поскольку транзисторы работают поочередно, то анализ и расчет двухтактного каскада можно произвести для одного плеча. Графическим методом определяем амплитуды выходного тока и выходного напряжения: . Колебательная мощность, получаемая от обоих транзисторов

 

Потребляемая мощность от источника питания определяется выражением:

, где I _кср =2 i _{вых max} / p

Коэффициент полезного действия можно выразить:

,

где  - коэффициент использования транзистора по напряжению.

При  максимальное значение КПД h _max =0,785.

Коэффициент использования транзисторов обычно , следовательно, практически достижимое значение КПД примерно равно 0,7.

Мощность рассеяния на коллекторе каждого транзистора определяется выражением:

P _к =(P ₀ - P _~)/2.

 

Рисунок 4.1 - Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

 

Максимальное значение мощности в режиме В достигает . Из последнего выражения можно сделать вывод, что двухтактный трансформатор ный усилитель мощности значительно снижает мощность рассеяния на транзисторе. В режиме А рассеиваемая мощность определяется .

Последние соотношения показывают, что двухтактные усилители в режиме В имеют высокую экономичность и эффективность.

 

Вопрос 5. Фазоинверсные схемы

 

При использовании двухтактной схемы усилительного каскада на управляющие электроды необходимо подавать равные по величине и противофазные напряжения сигнала. Это создает некоторые затруд­нения, так как предшествующий однотактный каскад дает однофазное напряжение. Простейшим устройством, преобразующим несимметричные сигналы в симметричный, является трансфор­матор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Однако трансформаторы имеют большие габориты, вес и дополнительные нелинейные искажения. Это приводит к необходимости заменять трансформаторы специальными схемами усилителей на сопротивлениях, которые дают на выходе равные и противофазные напряжения. Такие схемы называются фазоинверсными.

Наиболее широко применяется фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой, рис.5.2.

 

Рисунок 5.2 - Фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой.

 

В этих схемах  выходные напряжения получаются рав­ными по величине и противофазными относительно общей точки. При­веденные фазоинверсные схемы просты, но имеют малый коэффициент усиления и асимметрию плеч за счет отрицательной обратной связи. Наилучшие показатели имеют фазоинверсные схемы с эмиттерной связью.

В инверсном каскаде с эмиттерной связью (рис.5.3) используются два усилительных элемента. Входное напряжение   поступает на базу транзистора V 1, вклю­ченного с общим эмиттером. Отрицательная полярность приоткрывает V₁. Переменная составляющая тока i_выхv1 протекая через R_э и R_н^’ создает на них падения напряжений U_вхv2 и U_вых1 с указанными полярностями. На транзистор V 2, включенный с общей базой (так как его база соединена с общим проводом блокировочным конденсатором ), подается сигнал противоположной полярности с резистора эмиттерной связи . Транзистор V₂ призакрывается, это означает, что переменная составляющие тока i_выхv2 протекает в противоположном направлении. При этом на R_н^” происходит падение напряжения с указанной полярностью (рис.5.3).

Рисунок 5.3 - Фазоинверсная схема с эмиттерной связью.

 

Частотная и переходная характеристики каскадов с эмиттерной связью практически не отличаются от характеристик резистивного усилителя, а поэтому расчет элементов каскада, а также вносимых им частотных и переходных искажений производят по формулам резисторного каскада.