Двухтактный трансформаторный каскад

На рис. 5 представлена схема двухтактного транзисторного каскада усиления с трансформаторным входом и выходом.

Верхнее плечо усилителя образует транзистор VТ1 и верхние полуобмотки трансформаторов ТV1 и ТV2, нижнее плечо включает в свой состав транзистор VТ2, нижние полуобмотки трансформаторов ТV1 и ТV2. В идеальном случае оба плеча совершенно одинаковы и схема симметрична относительно горизонтальной оси, проходящей через средние точки трансформаторов.

Усилитель может работать как в режиме класса А, так и класса В. Для перевода каскада в режим В достаточно уменьшить напряжение смещения на R₂ (увеличить сопротивление R₁ и уменьшить R₂, либо исключить цепи смещения) до величины обеспечивающей, угол отсечки 90⁰. Рассмотрим режим класса В.

Характеристика схемы. Двухтактный каскад усиления с трансформаторным входом и выходом, последовательного коллекторного питания, со смещением постоянным напряжением, создаваемым током делителя на резисторах R1, R2, собран на транзисторах типа n-p-n по схеме с ОЭ, работающих в режиме класса В.

Назначение элементов. Трансформатор ТV1 предназначен для получения двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе напряжений, а также согласования сопротивлений источника сигнала с входным сопротивлением усилителя.

Трансформатор ТV2 обеспечивает согласование сопротивлений нагрузки с выходным сопротивлением коллекторных цепей транзисторов.

Конденсатор С_бл1 блокирует R₂ по переменному току, уменьшая потери переменной составляющей входного сигнала.

Делитель R₁, R₂ обеспечивает требуемое положение НРТ на характеристиках транзисторов.

Принцип работы схемы.При отсутствии входного сигнала (U₁=0) и включенном источнике питания протекает ток делителя. На резисторе R₂ создаётся напряжение смещения, величина которого обеспечивает положение НРТ в начале проходных статических характеристик транзисторов. Оба транзистора закрыты. Через трансформатор ТV2 ток не протекает и напряжение на выходе равно нулю. Таким образом, в статическом режиме постоянные токи через транзисторы не протекают, т.е. в режиме В ток покоя транзисторов практически равен нулю, что уже предопределяет пониженный расход тока питания.

При подаче на вход схемы переменного напряжения, например, гармонического сигнала (U₁¹ 0) на вторичных обмотках трансформатора ТV1 образуются два вторичных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 180⁰ (см. рис. 5). В результате один из транзисторов, например, верхний VT1 переходит в активный режим (открывается) и форма тока через него повторяет форму приложенного напряжения. Импульс тока через верхний трансформатор протекает по цепи: +Е_k, верхняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Е_k. Он индуцирует по вторичной обмотке TV2 импульс тока, протекающий через нагрузку. И в то же время нижний транзистор находится в режиме отсечки и через нижнюю полуобмотку трансформатора ток не протекает.

При смене полярности входного напряжения состояние транзисторов изменяется на противоположное. В этом случае импульс тока под воздействием входного сигнала протекает в нижнем плече каскада по цепи: +Е_k, нижняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Е_k. В результате во вторичной обмотке трансформатора ТV2 возбуждается ток обратного направления.

Таким образом, через нагрузку протекает ток, форма которого совпадает с формой управляющего напряжения (U₁). Временные диаграммы управляющего напряжения, токов через транзисторы, нагрузку и через источник питания приведены на рис. 6.

Как следует из рисунка ток, протекающий через транзисторы, представляет собой косинусоидальные импульсы с длительностью, равной половине периода управляющего напряжения. Транзисторы здесь работают строгопоочередно: каждый пропускает полуволну тока только в свой полупериод колебания (рис. 6). Во вторую половину периода он заперт и тока от источника питания не потребляет. В этот полупериод работает второй транзистор. Такой режим называют режимом класса В. Токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 можно представить в виде ряда Фурье:

;

Поскольку точки i_k1 и i_k2 обтекают половины обмоток ТV2 в противоположных направлениях, то результирующий магнитный поток, создаваемый ими, пропорционален их разности. Ток через нагрузку пропорционален магнитному потоку, следовательно, для тока в нагрузке можно записать

Ток в цепи питания усилителя равен сумме токов плеч:

(1)

Из полученных результатов следует:

1. Поскольку выходной ток содержит только нечётные гармоники, в двухтактном каскаде происходит компенсация чётных гармоник токов плеч в нагрузке. Это позволяет снизить уровень нелинейных искажений, используя экономичный режим В.

2. На выходе каскада будут компенсироваться все помехи, наводимые синфазно в плечах как от источника питания, так и от других источников. Это снижает чувствительность усилителя к пульсациям питающего напряжения, что позволяет упростить сглаживающие фильтры в цепях питания.

3. Разностный ток плеч не содержит постоянной составляющей тока, при этом отсутствует постоянное подмагничивание сердечника трансформатора. Это позволяет использовать данный трансформатор при более высоком уровне выходного сигнала или при заданной выходной мощности существенно снизить его габариты, массу, стоимость.

4. Суммарный ток (выражение 1) содержит постоянную составляющую и чётные гармоники. Ток основной частоты сигнала черезИП не протекает, что заметно снижает паразитные межкаскадные обратные связи и упрощает развязывающие фильтры.

Поскольку токи через транзисторы протекают лишь в часть периода, а в остальное время транзистор закрыт, то уменьшается мощность рассеяния транзистора, что позволяет в двухтактной схеме усилителя применить транзистор, рассеивающий на порядок меньшую мощность, чем транзистор в однотактном каскаде, работающем в режиме класса А при той же полезной мощности. Расчёты показывают, что КПД в двухтактном каскаде может приблизиться к 78,6 %. Это достигается большим коэффициентом использования коллекторного напряжения и малой величиной постоянной составляющей тока коллектора (режим класса В).

Форма частотных характеристик усилителя мощности определяется частотными свойствами трансформатора. Аналитические выражения для АЧХ совпадают с аналогичными выражениями для однотактного трансформаторного каскада.

Недостатки трансформаторного каскада:

· большие размеры, масса и стоимость;

· сравнительно узкая полоса рабочих частот;

· искажения и большие фазовые сдвиги на краях полосы пропускания, что препятствует охвату оконечного каскада глубокой ООС, так как нарушается устойчивость;

· наличие трансформаторов обусловливает невозможность интегрального исполнения УМ. Существуют дополнительные потери полезной энергии в трансформаторах, их КПД обычно составляет 0,7 ¸ 0,9.

Кроме того, режим В хотя и обеспечивает высокий КПД, но вносит повышенные нелинейные искажения, обусловленные кривизной начального участка передаточной характеристики транзисторов I_к(U_бэ), вследствие чего совмещенная характеристика обоих транзисторов (рис. 7, а), представляющая зависимость их разностного тока, имеет подобие ступеньки в окрестности перехода через нуль.

Это вызывает так называемые центральные ступеньки на синусоиде разностного тока (рис. 7, б), а значит, и выходного напряжения.

Для их устранения применяется режим АВ, в котором подается небольшое исходное смещение НРТ А1 и А2 транзисторов так, что они оказываются на середине начальных криволинейных участков передаточных характеристик (рис. 8, а). Совмещая характеристики транзисторов по напряжению U_бэ точками А1 и А2, видим, что характеристика разностного тока получается прямой (штриховая линия на рисунке) и ступенек не возникает (рис. 8, б). В режиме АВ при малых токах работают оба плеча одновременно подобно режиму А и нелинейность характеристик плеч взаимно компенсируется.

В режиме АВ при малых амплитудах КПД оконечного каскада понижается (по сравнению с режимом В). Однако общий КПД всего усилителя понижается мало, так как ток покоя оконечных транзисторов обычно бывает меньше общего тока питания предварительных каскадов. Режим АВ для двухтактных каскадов является самым распространенным, поскольку обеспечивает высокий КПД и небольшие нелинейные искажения.

Двухтактные бестрансформаторные каскады

Бестрансформаторные схемы получают всё большее применение. При их реализации легко осуществлять непосредственную связь между каскадами (без разделительных конденсаторов). Они имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики, легко выполняются по интегральной технологии, т.к. не содержат громоздкие трансформаторы. Чаще всего бестрансформаторные усилители собирают по двухтактной схеме и работают они в основном в режиме АВ.

Название "бестрансформаторный каскад" в общем случае носит условный характер; дело в том, что, как правило, в усилителях применяются двух-трех элементные составные транзисторы в каждом плече. Поэтому плечо представляет собой двух-трехкаскадный усилитель.

На рис. 9 приведена одна из распространенных схем двухкаскадного бестрансформаторного усилителя мощности с параллельным управлением транзисторами оконечного двухтактного каскада (на VT2 и VT3) однофазным переменным напряжением.

Для исключения необходимости двух источников питания сопротивление нагрузки R_н подключено через разделительный конденсатор C₂ к одному из полюсов источника E_п. Это возможно потому, что через нагрузку протекает только переменный ток. Напряжение между выводами конденсатора C₂ почти постоянно и близко к E_п/2. В режиме АВ, в полупериод когда транзистор VT3 открывается, конденсатор С2 в цепи нагрузки включается последовательно с источником Е_п и их напряжения вычитаются, так что итоговое напряжение питания одного плеча равно Еп - Е_С2 = Е_п/2, а конденсатор С2 частично заряжается током транзистора VT3. В полупериод работы транзистора VT2 конденсатор с напряжением E_C2 = Е_п/2 служит источником питания и частично разряжается.

В схемах бестрансформаторных каскадов большой мощности возникает затруднение в выборе комплементарной пары мощных транзисторов с совпадающими или близкими параметрами. Выход - применение в плечах двухкаскадной схемы выходного каскада составных транзисторов.