Двухтактные усилительные каскады

На рис. 4.14 показана схема двухтактного усилительного каскада с трансформаторной связью. Она выполнена на двух транзисторах VT1 и VT2.

Нагрузка подключена к каскаду с помощью трансформатора TV2, первичная обмотка которого состоит из двух полуобмоток, включенных последовательно. Средний вывод трансформатора подключен к источнику питания, а крайние – к коллекторам транзисторов VT1 и VT2. В первичной обмотке суммируются токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 и передаются во вторичную обмотку.

Трансформатор TV1 выполняет функцию фазоинвертора (обеспечивает подачу входного напряжения на базы транзисторов со сдвигом фазы на 180⁰).

Рассмотрим работу усилительного каскада в режиме усиления класса В.

При положительной полуволне входного сигнала u_вх в проводящем состоянии находится транзистор VT1 (см. рис. 4.15), а транзистор VT2 закрыт (ток базы i_б2 =0, ток коллектора i_к2 = 0, см. рис. 60). Ток коллектора транзистора VT1 i_к1, замыкаясь по контуру +Е_к, верхняя полуобмотка TV2, коллектор-эмиттер транзистора VT1, -Е_к, трансформируется во вторичную обмотку трансформатора TV2, создавая положительную полуволну выходного напряжения u_вых на нагрузке R_н. Напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT1 u_кэ1 при увеличении тока i_к1 уменьшается относительно напряжения источника питания Е_к. Напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2 u_кэ2 при увеличении тока i_к1 увеличивается в пределе до величины U_{кэ2 max} = 2Е_к, так как к закрытому транзистору VT2 прикладывается сумма напряжения Е_к и напряжения нижней полуобмотки трансформатора TV2.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется за два такта работы схемы. Первый такт сопровождается усилением одной полуволны напряжения с участием транзистора VT1, а второй такт – усилением другой полуволны с участием транзистора VT2.

На рис. 4. 16, а показана нагрузочная характеристика по переменному току одного из плеч каскада. Мгновенным значениям тока коллектора i_к соответствуют мгновенные значения напряжения коллектор-эмиттер u_кэ транзистора, связанные линией нагрузки по переменному току. Линия нагрузки по постоянному току не показана. Она выходит из точки Е_к, проходит через точку покоя П_В и проходит практически параллельно оси тока коллектора.

Определим энергетические показатели каскада.

Мощность выходного сигнала, поступающая в первичные обмотки трансформатора, определяется площадью заштрихованного треугольника (рис. 4.17, а).

Р_вых.к = I_кmU_кm/2.

От источника питания потребляется пульсирующий ток с амплитудой I_кm (см. рис. 4.17, а). Среднее значение тока равно

.

Мощность, потребляемая каскадом от источника питания,

Р_и = 2I_кmE_k/p.

К.п.д. коллекторных цепей каскада

h_к = Р_вых.к/Р_и =(p/4)(U_кm/E_k).

Таким образом, к.п.д. каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив U_кm = E_k, найдем предельное значение к.п.д. h_к = p/4 = 0,785. С учетом того, что амплитудное значение U_кm = E_k - ∆U_кэ и h_тр = 0,8 – 0,9, реальное значение усилителя мощности класса В h = h_трh_к = 0,6–0,7, что в 1,5 раза выше, чем в однотактном выходном каскаде класса А.

Мощность, рассеиваемая в коллекторных переходах транзисторов

Р_к = Р_и - Р_вых.к = 2I_кmE_k/p - I_кmU_кm/2. (4.6)

В соответствии с выражением (4.4) мощность Р_к зависит от амплитуды выходного сигнала. Максимальную рассеиваемую мощность найдем, продифференцировав выражение (4.6),

.

При выборе типа транзистора по напряжению следует учитывать, что максимальное напряжение на закрытом транзисторе может достигать величины 2Е_к. Выбор транзистора по току производится по величине I_кm.

Недостатком режима усиления класса В является повышенный коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала. Основная причина этого – нелинейность входной характеристики транзистора на начальном участке (при малых токах базы). Вследствие этого возникают искажения выходного сигнала типа "ступенька»".

Уменьшить эти искажения можно двумя способами. Можно ввести в цепи баз транзисторов дополнительные резисторы (увеличить сопротивление резистора R2 на рис. 4.15), чтобы ослабить нелинейность входных характеристик транзисторов (преобразовать источник входного напряжения в источник входного тока). Однако это связано с уменьшением коэффициента усиления каскада. Второй способ – перейти от режима усиления класса В к режиму усиления класса АВ.

На рис. 4.17, б показана нагрузочная характеристика одного плеча каскада, работающего в режиме класса АВ. Она отличается тем, что точке покоя соответствует некоторый ток I_0к, при котором входная характеристика транзистора выходит на линейный участок, начинающийся с тока базы I_0б = I_0к/b. Задание небольшого тока покоя практически не сказывается на энергетических показателях каскада по сравнению с режимом работы в классе В.

В схеме рис. 4.15 режим класса АВ реализуют путем включения резистора R1, подающего ток смещения от источника питания через вторичные обмотки трансформатора к базам транзисторов VT1 и VT2. Подмагничивания трансформатора постоянным током не происходит, так как магнитные потоки вторичных обмоток для этого тока направлены встречно и взаимно уничтожаются.