книги / Физические основы электроники

Однокаскадный усилитель на транзисторе (рис. 5.21). Пол­ ная эквивалентная схема приведенного каскада для перемен­ ного тока, в которой транзистор заменен Т-образной эквива­ лентной схемой,выглядит следущим образом (рис. 5.22).

В усилительном каскаде Cm невелика. Обычно Хст » Rm, поэтому емкостью C m пренебрегают. Всегда См « Сю. Если С п « Сю , то емкостями Сн и См можно пренебречь.

В этой эквивалентной схеме элементы Bh, /ъ и Сю можно

заменить одним идеальным генератором тока B J & ,	ЭДС Ет
можно заменить эквивалентной ЭДС Ет= qEr'.
Rr' = qR?\	(5.51)

R6

4 = (5.52)

R T + Ъ

С учетом вышеизложенного получаем упрощенную экви­ валентную схему (рис. 5.23).

к

Рассматривая работу однокаскадного усилителя, мы не учитывали емкости Сэ, С\ и Си. Емкость Сэ вносит дополни­ тельные искажения в области низких частот. На низких час­ тотах она перестает шунтировать R 3, в результате чего возни­ кает отрицательная обратная связь (ООС) по переменному току и коэффициент усиления падает.

Емкость Ci уменьшает входной ток усилителя и вызывает дополнительные низкочастотные искажения. Искажения, обу­ словленные емкостью Ci тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление источника R r. При идеальном генераторе тока эти искажения отсутствуют. При наличии емкости Сн искаже­ ния в области высших частот возрастают (рис. 5.24).

5.7. Выходные каскады усилителей (усилители мощности)

Основным назначением выходного каскада усилителя яв­ ляется отдача в нагрузку заданной или максимально возмож­ ной мощности, близкой к предельной для данного типа тран­ зистора, при наименьшем потреблении энергии от источни­ ков питания и допустимых уровней нелинейных и частотных искажений. Основными показателями выходного каскада яв­ ляются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность, КПД, уро­ вень нелинейных искажений и полоса пропускания. Нели­ нейные искажения и КПД каскада зависят от выбора началь­ ной рабочей точки транзистора. При жестких требованиях к уровню нелинейных искажений выходной каскад работает в классе А, а при необходимости получения высокого КПД

— в классах АВ и В.

При непосредственном включении нагрузки в цепь кол­ лектора транзистор отдает нагрузке максимальную мощность

при равенстве выходного сопротивления сопротивлению на­ грузки. Поэтому в мощных выходных каскадах применяется трансформаторное включение нагрузки, позволяющее полу­ чить в нагрузке наибольшую неискаженную мощность.

При трансформаторном включении нагрузки постоянная составляющая выходного тока не протекает через сопротивле­ ние нагрузки, что уменьшает расход потребляемой мощности питания и повышает КПД. В зависимости от требований выхо­ дные каскады могут быть однотактными или двухтактными.

Однотактные каскады чаще применяются при относитель­ но малых выходных мощностях, двухтактные — при боль­ ших. В однотактной схеме транзистор работает в режиме А , в двухтактной в режиме А , АВ или В . Из этих вариан­ тов наиболее экономичным является двухтактная схема в ре­ жиме В . В зависимости от требований к величине отдавае­ мой мощности и уровню нелинейных искажений транзисторы в выходных каскадах могут работать с ОЭ и ОБ. Схема вклю­ чения с общим коллектором применяется весьма редко. В схе­ ме включения с ОБ транзистор имеет наибольшее допустимое напряжение U*. Макс и сравнительно линейную переходную ха­ рактеристику вплоть до высокого значения токов /к. Поэтому схема включения с ОБ позволяет получить наибольшую вы­ ходную мощность при заданных нелинейных искажениях. Кроме того, в схеме с ОБ режим работы каскада мало меняет­ ся при изменениях температуры и при замене транзистора.

Схема включения с ОЭ дает наибольшее усиление по мощности (примерно в 8 раз). Однако в схеме с ОЭ возраста­ ют нелинейные искажения и требуется значительная мощ­ ность для питания цепей стабилизации режима.

При расчете выходного каскада применяют и удобный графоаналитический метод. Соотношения на основе малосиг­ нальных параметров неприемлемы для усилителей мощности.

При расчете выходного каскада обычно задаются: выхо­ дная мощность Рвых = Рн, сопротивление нагрузки Р н, допу­ стимый коэффициент нелинейных искажений, низшая и выс­ шая частоты рабочего диапазона / н и / в, допустимые коэффи­ циенты частотных искажений каскада Ми, Мъ и границы из­ менений температуры окружающей среды. Обычно бывает известен тип источника питания. При расчете необходимо выбрать напряжение источника питания, начальное положе­ ние рабочей точки (тока покоя коллектора), определить сме-

-Ес

Рис, 5.25

' / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / А

шение входной цепи, приведен­ ное к коллекто­ рной цепи соп­ ротивление на­ грузки, отдавае­ мую каскадом мощность, амп­ литуду вход­ ных тока и на­ пряжения, вход­ ное сопротив­

ление каскада, коэффициент нелинейных искажений, элемен­ ты цепей смещения и стабилизации. Кроме того необходимо провести электрический и конструктивный расчет выходного трансформатора.

Однотактные выходные каскады с трансформаторным включением нагрузки в классе А. Принципиальные схемы таких усилителей представлены на рис. 5.25—5.27. Транзи­ стор в каскаде с трансформаторным включением нагружен по постоянному току малым активным сопротивлением первич­ ной обмотки трансформатора. Если на входе каскада нет пере­

менного напря­ жения и сопро­ тивление Л = О, то напряжение на коллекторе мало отличает­ ся от напряже­ ния источника коллекторного питания. Нагру­ зочная прямая

'////////////////////////////////////////>

Рис. 5.26

по постоянному току идет круто — почти вертикально (рис. 5.28).

Сопротивление на­ грузки по переменному току является комплек­ сным. Однако прибли­ женный расчет основ­ ных показателей уси­

лителя может быть проведен для некоторой средней частоты, на которой нагрузку можно считать чисто активной.

Расчет выходного каскада сводится в основном к выбору приведенного к коллекторной цепи сопротивления нагрузки

R ', начального положения рабочей точки и величины сигна­

ла раскачки. Эти факторы определяют отдаваемую мощность, КПД, нелинейные искажения и другие показатели выходного сигнала.

Перед построением нагрузочной прямой и выбором оп­ тимального нагрузочного сопротивления необходимо опреде­ лить рабочую область статических характеристик транзисто­ ра. Эта область ограничена небольшим напряжением коллек­ тора С/к.макс, током коллектора /к.макс и мощностью рассеяния на коллекторе Рк.макс при небольшой заданной температуре. Величины {/к.макс, /к. макс И Рк. макс ПрИ fnep. ма*с ОПрвДвЛЯЮТ Выбор типа транзистора при расчете мощного выходного каскада. Кроме того, при заданном уровне нелинейных искажений рабочая область ограничена минимальным напряжением коллектора UK.um и током коллектора к. мин (минимальный ток коллектора для схемы с ОБ соответствует нулевому току эмиттера, а для схемы с ОЭ — минимальному току базы, ко­ торый выбирается в диапазоне от к = 0 до к = -Ло).

Начальное и среднее положения рабочей точки однотакт­ ного каскада в классе А не могут находиться выше гипер­ болы наибольшей мощности рассеяния (см. рис. 5.28).

Положение рабочей точки и наклон нагрузочной прямой необходимо выбирать так, чтобы амплитуды положительного и отрицательного полупериодов выходного сигнала были равны.

Определим оптимальное значение сопротивления R B, обе­ спечивающее наибольшую величину отдаваемой мощности:

Р = ^ ~ ,	(5.53)
Лтр

где г|тр— КПД выходного трансформатора (г|тр = 0,6-0,75 для мощности до 1 Вт, Цтр = 0,7-0,85 для мощности от 1 до 10 Вт, т|тр = 0,85-0,94 для мощности от 10 до 100 Вт).

Наибольшая мощность рассеяния выбранного транзисто­ ра Р к.макс должна превышать величину Р.

Отдаваемая транзистором максимальная мощность зави­ сит от амплитуд переменных составляющих напряжения и то­ ка коллектора.

где Uюп и / и — максимальные амплитуды переменных

составляющих коллекторных напряжения и тока.

Для прикидочных расчетов можно считать, что падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора при протекании через нее тока покоя тран­ зистора равно

Д £ '« 0 ,1 £ к .

(5.55)

Можно полагать, что на сопротивлении R 3 создается па­ дение напряжения

	Д Е " » (0,1 ч- 0,2) Е к.	(5.56)
	Тогда напряжение, приложенное между коллектором и
общим электродом (эмиттером или базой), равно
	U OK = Е к - АЕк,	(5.57)
где	АЕк = АЕк + АЕк".	(5.58)

Начальная рабочая точка располагается на вертикали UOK = = const. Величину UOKцелесообразно брать не более 0,4 £/к.макс. UK.макс, зависит от схемы включения транзистора.

Максимальная амплитуда напряжения на коллекторе, со­ ответствующая максимальному выходному сигналу, опреде­ ляется разностью

U кт = U OK ~ U K.MHH — Ек — АЕк — U K. мин.

(5.59)

Максимальное напряжение на коллекторе

UK. макс ~ 2 t/Km+ Uк. мин.

(5.60)

Максимальная амплитуда выходного сигнала будет

UKm ^ 1/2 U K. макс.

(5.61)

Максимальная амплитуда тока коллектора определяется из следующего выражения:

г _	-^к.макс —-^к.мин	•	/г /-i\
•нс«и	~		(5-62)

Мощность, отдаваемая транзистором, равна полусумме площадей треугольников ОА С и O BF . Оптимальная нагрузка, которой транзистор отдает эту мощность:

U'	+U”
кtn____ KM
Г	+ Г
'га	кт
Сопротивление
R K' = RH + r, + r2'.		(5.64)

Коэффициент полезного действия трансформатора опре­ деляется по формуле

	Цтр =			К	(5.65)
			R'u +г, + /■,'
	Мощность, отдаваемая нагрузке:
	—	D	„	----- ^кт^кт	(5.66)
	Рн —	1 макс Т|тр —Т|тр ----- ------
	Мощность, потребляемая источником питания, не зави­
	сит от величины сигнала и равна
		Ро = E KI OK.			(5.67)
	Выделяемая на коллекторе мощность
		Рк = Р о - Р			(5.68)
	и максимальна в режиме покоя, так как Р = 0.				Рк. макс, ТО-
	Для надежной работы необходимо, чтобы Ро <
	ГДа получим, ЧТО		Т|j Рк. макс,
	Рмакс <				(5.69)
	Р макс < 1 / 8		С/к.макс /к. макс.		(5.70)

Это последнее соотношение используется при выборе транзистора.

В схеме с ОЭ требуется меньшая мощность раскачки нуж­ ной выходной мощности. Коэффициент усиления по мощно­ сти равен:

К Р = ^ ~ .

(5.71)

Искажения в выходном каскаде класса А были огово­ рены ранее.

Двухтактные выходные каскады в режиме А . Однотакт­ ные выходные каскады имеют малый КПД и применяются лишь в тех случаях, когда необходимо получить небольшую мощность. Используя в схеме усилителя более мощные тран-

зисторы, можно повысить отдаваемую мощность. Однако при этом КПД не повышается. Кроме того, наличие большого подмагничивающего тока в первичной обмотке трансформа­ тора уменьшает индуктивность трансформатора Li и тем са­ мым ухудшает передачу низких частот. Лучшие показатели можно получить от выходного каскада, построенного по двухтактной схеме. Рассмотрим работу 2-тактного выходного каскада в режиме А (рис. 5.29).

Сопротивление R3 служит для стабилизации режима и компенсации различий в коэффициентах передачи тока тран­ зисторов. Для исключения возможной разбалансировки токов покоя при изменениях температуры фазные температурные коэффициенты напряжения U36 транзисторов) и старения в эмитгерную цепь каждого транзистора иногда включают не­ большие (порядка 0,1-0,2 R3) сопротивления R3' и R 3” (пун­ ктир).

На вход двухтактного каскада подается симметричное относительно земли напряжение или от фазоинверсного кас­ када (см. рис 5.29), или от трансформатора со средней точкой (рис. 5.30). При таком включении входного трансформатора

приложенные между базами и эмиттерами транзисторов на­ пряжения сдвинуты взаимно по фазе на 180° (рис. 5.31, а).

Токи коллектора каждого транзистора к\ и /к2 противопо­ ложны по фазе базовым напряжениям, и поэтому сдвиг фаз между ними так же равен 180° (рис. 5.31, б).

/к1=/ок +1\ sin cof,

кг = IOK- h sin tot.

(5.72)

Потребленный коллектором от источника питания ток равен сумме токов, не содержит переменной составляющей первой гармоники и равен удвоенному значению тока покоя

коллектора (рис. 5.31, в).
/к1 + /к2 = 2/ок.	(5.73)

Через первичную обмотку выходного трансформатора коллекторные токи первого и второго транзисторов протека­ ют в разных направлениях. Поэтому магнитный поток в сер­ дечнике и ток вторичной обмотки (ток нагрузки) пропорцио­ нальны разности (рис. 5.31, г)

/, = к\ - кг = 2/i sin соt.

(5.74)

Общая мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку, в два раза превышает мощность, отдаваемую транзистором