Выходные каскады усилителей

(Графический анализ работы усилителя мощности)

В выходных каскадах, так же как и в предварительных, чаще всего используется схема с общим эмиттером. В этом случае коэффициент усиления сигнала по мощности получается наибольшим и, следователь­но, требуются наименьшая выходная мощность от предыдущего кас­када и наименьшее усиление от предварительного усилителя.

Отметим также, что выходные каскады усилителей могут быть по­строены по однотактной или двухтактной схемам, существенно от­личающимся друг от друга.

Прежде чем рассматривать схемные особенности выходных каска­дов, остановимся на характеристике возможных режимов их работы.

Найдем графическую зависимость выходного тока транзистора от напряжения на его входе I_вых = f (U_вх). Такая зависимость по­лучила название проходной динамической характеристики транзистора.

Рассмотрим порядок ее построения для транзистора типа n— р — п, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 184). Для построе­ния этой характеристики необходимо:

1)в семействе статических выходных характеристик транзистора по заданным величинам E_K и R_K построить нагрузочную прямую AB (рис. 184, a);

2)отметить точки пересечения нагрузочной прямой со статически­ми характеристиками (1, 2, 3 и т. д.) и найти соответствующие этим точ­кам величины выходного тока (тока коллектора) и входного тока (тока базы) (рис. 184, а);

3)перенести найденные значения тока базы на входную статиче­скую характеристику транзистора, снятую при £/_Кэ ф 0 (обычно Uкэ = 5 В) (рис. 184,6);

Рис. 184. Построение проходной динамической характеристики транзистора;

а — нагрузочная прямая в семейства выходных статических характеристик; б — входная характеристика; в — проходная динамическая характери­стика.

4) по оси абсцисс графика входной характеристики найти значения входных напряжений (U _Бэ), соответствующие каждому значению тока базы (в точках 1^׳, 2', 3' и т. д.) (рис. 184, б);

5) каждому значению напряжения Uбэ найти соответствующие значения тока I_K (отмеченные ранее в семействе выходных характерис­тик) и построить график зависимости Iк=f(Uбэ), т. е. 1_ВЫХ = f (U_BX) (рис.184, е).

В зависимости от выбора рабочей тонки на проходной динамической характеристике транзистора различают три основных режима работы усилительного каскада; А, В и АВ.

Для работы каскада в режиме А на базу подается такое напряжение смещения, чтобы рабочая точка Р, определяющая исходное состояние схемы при отсутствии входного сигнала, располагалась примерно на середине прямолинейного участка характеристики (рис. 185, а). В этом режиме напряжение смещения U _БЭP поабсолютной величине вcегда больше амплитуды входного сигнала (U_БЭР> U_mex), а ток покоя Iк.р всегда больше амплитуды переменной составляющей вы­ходного тока (I_KР > I_KM). Поэтому в режиме А при подаче на вход кас­када синусоидального напряжения в выходной цепи будет протекать ток, изменяющийся также по синусоидальному закону. Это обусловли­вает минимальные нелинейные искажения сигнала. Однако этот ре­жим является наименее экономичным. Дело в том, что полезной являет­ся лишь мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока, а потребляемая мощность опреде­ляется значительно большей величиной постоянной составляющей. Поэтому к. п. д. усилительного каскада в режиме А составляет лишь 20—30%. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления или маломощные выходные каскады.

В режиме В (рис. 185, б) рабочая точка выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю. При подаче на вход сигнала ток в выходной цепи каскада протекает лишь в течение половины периода изменения напряжения сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импуль­сов с углом отсечки θ = π/2(угломотсечки принято называть полови­ну той части периода, в течение которой проходит ток). Режим В ха­рактеризуется высоким к. п. д. усилителя (60—70%), так как постоян­ная составляющая выходного тока значительно меньше, чем в режиме А. Однако режим В характеризуется большими нелинейными иска­жениями сигнала, вследствие чего этот режим используется главным образом в мощных двухтактных каскадах.

Режим АВ является промежуточным между режимами А и В (рис. 185,в).

Типичная схема однотактного выходного каскада с общим эмит­тером показана на рис. 186. Элементы схемы C_P, R^’_Б, R^’’_Б, С_Э, R_Э выполняют те же функции, что и в предварительных каскадах усиле­ния. Выходной трансформатор служит для согласования сопротивле­ния нагрузки с выходным сопротивлением транзистора. Если прене­бречь потерями в трансформаторе, то можно считать, что мощность в первичной и вторичной обмотках остается неизменной, т. е. P_I = Р_II.

В этом случае можно записать

U²_I /R_I = U²_II/R_II

где R_I н R_II — сопротивления первичной и вторичной цепей трансфор­матора переменному току.

Для получения максимальноймощности полезного сигнала сопро­тивление первичной цепи переменному току должно быть равно оп­тимальному сопротивлению коллекторной нагрузки транзистора (Rн.опт), при котором произведение переменных составляющих нaпряжения и тока

Рис. 186. Однотактный выходной каскад транзисторного усилителя.

Рис. 185. Графики, иллюстрирующие ра- Рис. 187. Графический анализ ра­
ботуусилительного каскада в режимах; боты однотактного выходного каска-

а— класса А; 6 = класса В; в — класса А В. да врежиме А.

в коллекторной цепи оказывается максимальным.

Поэтому примем R_I = R_Н.ОПТ.

Сопротивление вторичной цепи переменному току равно сопротивле­нию нагрузки R_Н

т, е. R_II = R_H. Поэтому

U²_I /R_Н.ОПТ = U²_II/R_Н

Разделив левую и правую части данного равенства на щ, получим

представляет собой коэффициент трансформации выходного трансформатора (п). Следовательно,

Величина R_H (сопротивление нагрузки потребителя) обычно задается. Что же касается сопротивления R_H опт. то его следует определить графическим путем из условия получения максимальной неискажен­ной мощности сигнала.

Рассмотрим рис. 187, иллюстрирующий работу выходного каска­да в режиме А. На рисунке изображено семейство статических выход­ных характеристик транзистора заданного типа. На этом же графике показана линия предельно допустимой мощности, рассеиваемой па кол­лекторе транзистора (Ркмах), имеющая вид гиперболы (эта кривая обычно приводится в справочниках), Теперь необходимо установить положение рабочей точки. Рассуждаем следующим образом. Допустим, входной сигнал еще не подается. Тогда в цепи коллектора транзистора проходит постоянный коллекторный ток (ток покоя), а сопротивление этому току фактически равно омическому сопротивлению первичной обмотки (W1) выходного трансформатора. Обозначим это сопротивле­ние r1. Очевидно, что его величина невелика (близка к нулю). Поэтому в режиме покоя практически все напряжение источника питания Еk прикладывается к участку коллектор — эмиттер транзистора. На­грузочная прямая для этого случая (линия статической нагрузки) пройдет из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению Еk, почти параллельно оси токов (рис. 187). Найдем пересечение линии статической нагрузки (ЛСН) со статической характеристикой, зани­мающей среднее положение в семействе характеристик (на рис. 187 эта характеристика соответствует току базы Iб2). Предварительно примем эту точку за рабочую точку Р, определяющую исходное сос­тояние каскада. Теперь через эту точку следует провести нагрузочную прямую (НП) под таким углом, чтобы выбранная рабочая точка дели­ла эту прямую на две примерно равные части {АР и РВ на рис. 187, где точки А и В соответствуют пересечению нагрузочной прямой с крайними статическими характеристиками транзистора). Если этого не удается сделать, то надо расположить рабочую точку выше или ниже ее предварительно выбранного положения, но обязательно на ЛСН, и повторить построение. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы рабочая точка находилась возможно ближе к линии предельно до­пустимой.мощности Рк _мах, но лежала ниже нее.

В точках пересечения нагрузочной прямой с крайними статиче­скими характеристиками транзистора определяем минимальные и максимальные значения тока и напряжения коллекторной цепи: I_Kmin, U_КЭmin, I_Kmax, U_КЭmax (рис.187).

Обратим внимание на то, что при поступлении входного сигнала ра­бочая точка будет перемещаться по динамической линии нагрузки (ее пересечение со статической нагрузочной прямой лишь частный случай, соответствующий режиму покоя), и при максимальной амплитуде сигнала напряжение на коллекторе U_КЭмах может оказаться намногобольше (примерно в два раза) напряжения источника питания Е_к Положение рабочей точки на середине нагрузочной прямой ука­зывает на то, что каскад работает в режиме А с наименьшими нелиней­нымиискажениями. Выходная мощность каскада при максимальном уровне входного сигнала зависит от площади треугольника АВС (рис. 187). С учетом

к. п. д. выходного трансформатора (η≈0,7 -0,9) эта мощность может быть найдена по формуле

где Iк_M и U_{K m} — амплитудные значения тока и напряжения в цепи коллектора. Из рис. 187 очевидно, что

Величину оптимального сопротивления нагрузки R_H опт в этом случае можно определить по формуле

Подставив полученное значение R_Hопт в формулу, определяют коэффициент трансформации согласующего выходного трансформа­тора.

Наличие в схеме выходного каскада трансформатора приводит к существенным частотным искажениям усиливаемого сигнала. Рас­смотрим эквивалентную схему согласующего трансформатора, вклю­ченного в выходную цепь транзистора (рис. 188).

Эквивалентная схема содержит следующие элементы: Ск — ем­кость транзистора; r ₂ — активное сопротивление первичной обмотки; L_p1 — индуктивность рассеяния первичной обмотки; L₁ — индуктив­ность первичной обмотки; r’₂, L’ _Р2, С’₂ —-соответственно активное со­противление, индуктивность рассеяния и междувитковая емкость вторичной обмотки трансформатора, пересчитанные в первичную цепь по формулам:

Сопротивление R’_H — это сопротивление нагрузки R_H, пересчитанное в первичную цепь (R’_H = R_H/n². Для обеспечения наибольшей выходной мощности, как было показано выше, необходимо, чтобы R’_H = R_Hопт.

Типичная амплитудно-частотная характеристика выходного кас­када с трансформатором приведена на рис. 189. В области низших частот существенное влияние на характеристику оказывает индуктивность L₁, сопротивление которой (ωL₁) уменьшает­ся с понижением частоты, шунтируя нагрузочное сопротивление R'_H; на высших частотах колебательный контур, образованный емкостью C₂’ и индуктивностями рассеяния, может вызвать резонансныйподъем усиления, ведущий к неравномер­ной передаче частот усиливаемого сигнала. Наиболее благоприятные условия для передачи сигнала соз­даются в области средних частот, где практически можно пренебречь влиянием реактивных элементов схемы. Однотактный каскад усиления мощности обладает рядом сущест­венных недостатков, основными из которых являются следующие: 1) невозможность применения экономичных режимов АВ и В (из-за недопустимо больших нелинейныхискажений; 2) малый к. п. д. кас­када; 3) относительно большие нелинейные искажения, вносимые транзистором; 4) увеличение нелинейных искажений из-за постоянного подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора; 5) от­носительно большие частотные искажения.

Рис.188. Эквивалентная схема выходного трансформатора

Рис. 189. Амплитудно-частотная характеристика выходного каскада с трансформатором.