Включением нагрузки

Схема усилителя мощности класса А показана на рис. 2.21. В выходной цепи протекают существенно большие токи, чем в схеме рис. 2.4. Это накладывает

определенные ограничения на выбор величины R_э ввиду необходимости уменьшения в этом резисторе мощности потерь. Величина R_э здесь не превышает нескольких десятков Ом.

Кроме того, ввиду малой величины R_э возникают трудности, связанные с применением конденсатора С_э для исключения отрицательной обратной связи по переменному току, поскольку величина С_э должна быть достаточно большой. Поэтому резистор R_э в схеме рис. 2.21 либо вообще не применяют, либо включают его, не шунтируя конденсатором С_э, а создаваемую при этом отрицательную обратную связь полезно используют, например, для уменьшения нелинейных искажений в каскаде, коррекции частотной характеристики и т.д. (см.§2.6). Рассмотрение каскада проводится далее при R_э = 0.

Расчет каскада производят графоаналитическим методом с использованием линий нагрузки по постоянному и переменному токам. Исходными при расчете являются выходная мощность Р_н и сопротивление R_н.

В выходной цепи каскада рис. 2.21 сопротивление по постоянному току относительно мало. Оно определяется активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора, в силу чего линия нагрузки каскада по постоянному току проводится из точки Е_к почти вертикально.

Для определения угла наклона линии нагрузки каскада по переменному току, проходящей через точку покоя, необходимо определить коэффициент трансформации трансформатора n = w₁/w₂.

Так как сопротивления r₁, r₂ соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора малы, то сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется приведенным к первичной обмотке сопротивлением R_н:

R_н~ =n²(R_н + r₂) + r₁ ≈ n²R_н (2.84)

Для выбора координат точки покоя U_кэп , I_кп по выражениям (2.3), (2.4) требуется определить величины I_кm, U_кm (U_выхm). Указанные параметры находят следующим образом.

Мощность переменного тока Р_вых._к , поступающая от каскада в первичную обмотку трансформатора (мощность в коллекторной цепи транзистора), и мощность, отдаваемая в нагрузку (Р_н), связаны соотношением

, (2.85)

где h_тр – КПД трансформатора, составляющий величину 0,8 – 0,9, которая уточняется в последующем при его расчете (выборе).

В случае синусоидальной формы сигнала выходная мощность каскада связана с параметрами U_кm, I_кm выражением

(2.87)

Выбор напряжения U_кm производят по величине U_кэп(2.3) с учетом того, что для рассматриваемого каскада U_кэп близко Е_к (рис. 2.22). Величину Е_к может определять выбранный ранее источник питания. В соответствии с указанным величину U_кm и коэффициент трансформации n можно считать известными.

Для определения I_кп можно воспользоваться линией нагрузки каскада по постоянному току или соотношением (2.4), в котором

(2.88)

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току под углом, определяемым отношением

Выбор типа транзистора связывают с проводимым расчетом, так как тип транзистора накладывает ограничения на ток I_кm, напряжение U_кэm и мощность Р_к, рассеиваемую в коллекторном переходе:

(2.89)

(2.90)

(2.91)

Поскольку в процессе расчета необходимо обеспечивать требуемые условия работы транзистора и отдаваемую им мощность, расчет каскада проводят в несколько приемов по приведенной методике. При этом удобно использовать понятие треугольника мощности, заштрихованного на рис. 2. 22, площадь U_кmI_кm/2 которого равна мощности Р_вых.к, отдаваемой каскадом.

По найденному КПД каскада. Он равен произведению коэффициентов полезного действия коллекторной цепи и трансформатора:

h=h_кh_тр (2.92)

Величину h_к находят как отношение выходной мощности каскада

Р_вых.к=U_кmI_кm/2 (2.93)

к мощности, потребляемой от источника питания:

Р_и=Е_кI_кп»U_кэпI_кп (2.94)

КПД коллекторной цепи

(2.95)

Из выражения (2.95) следует, что с повышением уровня выходного сигнала КПД h_к увеличивается и стремится к предельной величине, равной 0,5, при I_кm= I_кп и U_кm=U_кэп. Положив h_тр=1, заключаем, что предельно возможное значение КПД рассматриваемого каскада составляет 0,5. Для исключения режима ограничения амплитуды выходного напряжения параметры выходного сигнала I_кm, U_кm принимаются меньше параметров режима покоя. Вследствие этого, а также с учетом того, что h_тр≠1, реальные значения h не превышают 0,35 – 0,45.

Для определения теплового режима работы транзистора необходимо рассчитать мощность Р_к, рассеиваемую в коллекторном переходе транзистора. Мощность Р_к характеризуется разностью мощностей, потребляемой каскадом и отдаваемой в цепь трансформатора:

Р_к = Р_и - Р_вых._к = U_кэп I_кп – U_кm I_кm (2.96)

Согласно выражению (2.96), мощность Р_к зависит от уровня выходного сигнала и при максимальном его значении, когда U_кm = U_кэп и I_кm= I_кп, стремится к величине 0,5Р_и, а в отсутствие сигнала равна Р_и. Поскольку при работе каскада возможны перерывы в подаче усиливаемого сигнала, тепловой режим транзистора рассчитывают по мощности Р_и.

Двухтактные выходные усилительные каскады

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью показана на рис. 2.23. Она выполнена на двух транзисторах Т₁ и Т₂. Нагрузка подключается к каскаду с помощью выходного трансформатора Тр₂. Коллекторная цепь транзистора Т₁ подключена к первой секции его первичной обмотки ω_2-1, а транзистора Т₂ – ко второй секции ω_2-2. Отношение чисел витков первичной и вторичной обмоток определяется коэффициентом трансформации n₂ = ω_2-1/ ω_н. Схема соединения обмоток показана на рис. 2.23.

Трансформатор Тр₁, имеющий коэффициент трансформации n₁ = ω_вх/ ω_1-1= / ω_1-2, выполняет функцию входного трансформатора каскада. Он обеспечивает подачу входного сигнала на базовые цепи обоих транзисторов. В случае многокаскадного усилителя обмотка ω_вх трансформатора Тр₁ включена в коллекторную цепь предвыходного каскада, выполненного по схеме однотактного усилителя с трансформаторной связью (см. рис. 2.21).

Двухтактный каскад может работать в режиме класса В или АВ. Режим класса АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R₁ и R₂ напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источника питания Е_к. В режиме класса В начальное смещение не создается и резистор R₁ отсутствует. Резистор R₂ при этом используется для обеспечения работы входных цепей транзисторов в режиме, близком к режиму источника тока.

Рассмотрим сначала работу схемы в режиме класса В.

В отсутствие входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов относительно их эмиттеров равны нулю. Если не учитывать обратные токи коллекторных переходов I_к0 обоих транзисторов, то можно считать, что токи в усилителе равны нулю. К коллектору каждого транзистора относительно эмиттера приложено постоянное напряжение источника питания Е_к.

При подаче входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке ω_1-1 трансформатора Тр₁ действует отрицательная относительно общей точки обмоток полуволна напряжения, а на вторичной обмотке ω_1-2 – положительная полуволна. В результате транзистор Т₂ остается закрытым, а через входную цепь транзистора Т₁ протекает базовый ток i_б1, обусловленный полуволной напряжения на обмотке ω_1-1. При этом транзистор Т₁ открывается и через него протекает коллекторный ток i_к1 = βi_б1, а в обмотке ω_2-1 создается напряжение и_2-1 = i_к1R_н = i_к1n₂²R_н. На нагрузке действует положительная полуволна напряжения и_н=и_2-1/ n₂.

При поступлении на вход каскада отрицательной полуволны напряжения полярность напряжений на вторичных обмотках входного трансформатора изменяется на обратную. Теперь в закрытом состоянии будет находиться транзистор Т₁ , а в усилении сигнала будет участвовать транзистор Т₂. На обмотке ω_2-2 трансформатора Тр₂ от протекания тока i_к2= βi_б2 (при одинаковых коэффициентах β обоих транзисторов) создается напряжение той же величины, которое будет трансформироваться с обратной полярностью в нагрузочную обмотку ω_н. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы. Первый такт сопровождается усилением одной полуволны напряжения с участием второго транзистора.

Описанный процесс работы каскада поясняют графические построения, приведенные на рис. 2.24 для одного из тактов усиления, например для транзистора Т₁. Линия нагрузки каскада по постоянному току (2.24), исходящая из точки с координатами (0;Е_к), проводится почти параллельно оси токов, поскольку сопротивление в коллекторной цепи транзистора определяется малым активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора Тр₂.

Поскольку в режиме покоя U_бэп = 0 и ток коллектора определяется обратным током коллекторного перехода I_к0, линия нагрузки каскада по переменному току пересекается с линией нагрузки по постоянному току по постоянному току в точке с координатами (I_к0; U_кэ ≈Е_к). Линия нагрузки каскада по переменному току проводится с учетом того, что R_н = n₂²R_н. Переменным составляющим соответствуют построения, приведенные на рис. 2.24. Определим соотношения, характеризующие энергетические показатели каскада.

Мощность выходного сигнала, поступающая в первичные обмотки выходного трансформатора, определяется площадью заштрихованного треугольника (рис. 2.24):

Р_вых._к=U_ктI_кт/2 (2.97)

С учетом потерь мощности в трансформаторе мощность в нагрузке

Р_в=η_тр2Р_вых._к (2.98)