Так как потребляемый от источника питания ток iи является пульсирующим током с амплитудой Iкт, его среднее значение

(2.99)

Мощность, потребляемая каскадом от источника питания,

(2.100)

Из выражений (2.97), (2.100), находим КПД коллекторных цепей каскада:

(2.101)

и КПД всего каскада:

(2.102)

Согласно соотношению (2.102), КПД каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив U_кт= Е_к и η_тр =1, из (2.102) находим предельное значение КПД : η=0,785.

С учетом того, что амплитудное значение U_кт не превышает Е_к - ∆U_кэ и что η_тр =0,8 – 0,9, реальные значения КПД рассматриваемого усилителя мощности составляют 0,6 – 0,7, что в 1,5 раза выше, чем в однотактном выходном каскаде.

Определим мощность, рассеиваемую в коллекторных переходах обоих транзисторов:

Р_к=Р_и –Р_вых._к = ,

Или

. (2.103)

В соответствии с выражением (2.103) мощность Р_к зависит от величины выходного сигнала каскада. Для определения максимальной рассеиваемой мощности Р_ктах продифференцируем Р_к по U_кт и приравняем производную нулю:

откуда найдем величину U_km, соответствующую Р_kmax:

U_km – 2E_K/p - 0,64E_к. (2.104)

Подстановкой соотношения (2.104) в (2.103) находим выражение для подсчета максимальной суммарной мощности, теряемой в транзисторах:

(2.105)

При выборе типа транзистора по напряжению необходимо исхо­дить из того, что при формировании полуволны напряжения на одной половине обмотки ω₂ трансформатора Тр₂ на второй половине его обмотки трансформируется равное ему напряжение, которое, сум­мируясь с напряжением Е_к, определяет напряжение на закрытом транзисторе. Максимальное значение напряжения на транзисторе при этом может составлять 2E_к. Исходя из этой величины и произ­водят выбор транзисторов по напряжению.

Режим класса В, характеризуемый протеканием через каждый из транзисторов только одной полуволны тока, отличается лучшим их использованием по току. Выбор транзисторов по току произво­дится по величине I_кm (рис. 2.24). В связи с этим при одном и том же типе транзисторов двухтактный каскад обеспечивает большую мощ­ность в нагрузке, чем однотактный.

Однако отсутствие в режиме класса В начального смещения при­водит к сильным нелинейным искажениям выходного сигнала. Основ­ная причина этого явления — нелинейность входной характеристики транзисторов на начальном участке (при малых токах базы).

Влияние нелинейного начального участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис. 2.25, где входные характеристики обоих транзисторов представлены на общем графике. Как видно из рис. 2.25, при синусоидальном входном напряжении и_вх форма токов i_б1 и i₆₂ получается искаженной. Вследствие этого, будет искажена и форма токов коллекторов i_K1, i_K2, а сле­довательно, выходное напряжение каскада. В режиме класса А указанная причина не проявляется благодаря наличию тока базы покоя и исключению из работы начального участка входной характеристики.

Для уменьшения искажений в цепи баз обоих транзисторов вводят дополнительные резисторы (например, R₂ на рис. 2.23), приближающие режим работы источника сигнала к режиму источника тока и ослабляющие тем самым влияние нелинейности входных ха­рактеристик транзисторов. Однако из-за падения напряжения на дополнительных резисторах от протекания токов i_б при этом уменьшаются коэффициенты усиления' каскада.

Более целесообразным при необходимости получения особо точного воспроизведения формы сигнала следует считать переход к режиму класса АВ, при котором с помощью резисторов R₁, R₂ (см. рис. 2.23) задается некоторое начальное напряжение смещения на базах транзисторов, соответствующее началу относительно линейного участка их вольт-амперной характеристики. Расположение входных характеристик обоих транзисторов с учетом напряжения смещения U_6п показано на общем графике (рис. 2.26).

При наличии напряжения смещения U_бп и начальных токов I_бп ≠ О обоих транзисторов входной сигнал воздействует на уменьшение базового тока одного транзистора и увеличение другого, в связи с чем результирующая входная характеристика каскада получается близкой к прямой линии, показанной на рис. 2.26 пунктиром.

Задание небольшого напряжения смещения U_бn и протекание вследствие этого через элементы каскада небольших постоянных составляющих тока I_бп и I_кп практически не сказываются на энергетических показателях схемы по сравнению с режимом работы в классе В. Поэтому для режима работы в классе АВ действительны все приведенные ранее соотношения.

Двухтактные каскады усиления мощности выполняют и по схемам, исключающим применение трансформаторов, что обусловливается требованием уменьшения массо-габаритных и стоимостных показателей усилителей, а также возможностью их микросхемного исполнения.

Задачу решают последовательным включением транзисторов в схему (рис. 2.27). При этом возможны два способа подключения на­грузки к выходу каскада и соответственно два способа осуществления питания схемы.

При первом способе (рис. 2.27, а) каскад питают от двух источников E_к1 и E_к2, имеющих общую точку, а нагрузку подключают между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов и общей точкой источников

питания.

Транзисторы T₁ иT₂ каскада обычно работают в режиме класса АВ, который обеспечивается посредством резисторов R₁ — R₄. Транзисторы управляются двумя противофазными входными сигналами u_вх1и u_вх2, которые создаются с помощью предвыходного фазоинверсного каскада. Так же как в трансформаторном каскаде, процесс усиления двухполярного сиг­нала происходит в два такта. В первом такте участвует тран­зистор T₁, усиливающий отрицательную полуволну напряжения u_вх, при этом транзистор Т₂заперт положительной полуволной нап­ряжения и_вх2. Во втором такте усиливается другая полуволна сиг­нала с участием транзистора Т₂при закрытом транзисторе Т₁.

При втором способе (рис. 2.27, б) питание каскада осуществляют от общего источника, а нагрузку подключают через конденсатор С достаточно большой емкости. В отсутствие сигналов u_вх1и u_вх2, кон­денсатор С заряжен до напряжения 0,5 E_к. В такте работы транзис­тора T₁транзистор Т₂закрыт и конденсатор выполняет функцию источника питания нагрузки. В такте работы транзистора Т₂ток нагрузки протекает через источник питания Е_к. При этом ток i_к2, протекающий через конденсатор С, пополняет его энергией, компен­сируя тем самым отданную в нагрузку энергию в предыдущем такте.

В схемах рис. 2.27, в, г подключение нагрузки и питание каскадов выполнены по аналогии со схемами рис. 2.27, а, б. Отличие заклю­чается в том, что в схемах рис. 2.27, в, г используются транзисторы типов р-п-р и п-р-п, благодаря чему здесь отпадает необходимость в двух противофазных входных сигналах. При положительной полу­волне сигнала в усилении участвует транзистор Т₁ а транзистор Т₂ закрыт. При отрицательной полуволне сигнала поведение транзис­торов обратное.

Укажем общую особенность схем рис. 2.27 по сравнению со схе­мой, содержащей трансформатор в выходной цепи. В схеме рис. 2.23 мощность (U_KmI_Km)/2, отдаваемая в нагрузку, близка к величине

U ²_Km/(2n²₂R_н)- Иными словами, здесь путем варьирования коэффициента трансформации сравнительно просто решается задача полу­чения требуемой мощности в нагрузке при полном использовании транзисторов по току и напряжению в условиях заданных значений Р_HиR_H.