Двухтактные выходные каскады.

В связи с тем что КПД однотактных выходных каскадов в режиме А меньше 0,5 в мощных выходных каскадах, часто используют двухтактные выходные каскады, работающие в режиме В или АВ. Применяют три схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ, ОК. Двухтактные выходные каскады можно подразделить на каскады с согласующими выходными трансформаторами и бестрансформаторные выходные каскады.

В трансформаторных каскадах удается, как правило, получать лучшее согласование каскада и нагрузки, а также повышенную температурную стабильность. Они являются классическими схемами, обеспечивающими получение большой мощности. Их недостаток — наличие громоздких трансформаторов и значительные частотные и нелинейные искажения, несмотря на то что содержание четных гармоник в выходном сигнале у двухтактных каскадов существенно понижено.

В выходных каскадах с трансформаторной связью транзисторы чаще всего включают по схеме с ОЭ и ОБ.

Рассмотрим каскад с ОБ, в котором активные приборы работают в режиме В (рис. 4.45, а).

Рис. 4.45. Схема двухтактного выходного каскада с ОБ (а) и построение для него линий нагрузки эквивалентная схема для постоянного тока (в)

При отсутствии входного сигнала через транзисторы протекают малые начальные токи, так как практически заперты. При подаче синусоидального входного напряжения транзисторы открываются поочередно. Каждый транзистор работает в течение одного полупериода, а в нагрузке токи обоих транзисторов алгебраически суммируются.

Построение линий нагрузки для двухтактного каскада (рис. 4.45 б) аналогично соответствующим построениям для одногактного каскада.

При этом положение рабочей точки выбирают почти на оси абсцисс (для обоих транзисторов). Изменяющийся входной ток полностью запирает тот или иной транзистор в зависимости от полярности полуволны входного сигнала. При отсутствии сигнала токи транзисторов определяются точками пересечения линии нагрузки, проведенной через точки Е, 0 с наклоном, определяемым тангенсом угла , с кривыми соответствующими токами коллектора при коротком замыкании эмиттера с базой . Здесь — активное сопротивление одной секции обмотки . Практически эти токи можно считать равными транзистора.

Действительно, если база и эмиттер транзистора замкнуты между собой, то эквивалентная схема его для постоянного тока имеет вид, показанный на рис. 4.45, в. Если падение напряжения от тока на сопротивлении меньше напряжения , то эмиттерный переход закрыт и можно считать, что весь ток генератора тока протекает в цепи базы. Но ток в цепи базы вызывает в цепи коллекторного перехода ток , направленный противоположно току .

Следовательно, результирующий ток базы

(4.240)

Так как при запертом эмиперном переходе токи базы и коллектора равны, то ток коллектора запертого транзистора приблизительно равен . Для упрощения токи обоих транзисторов считаем равными. Ввиду того что активное сопротивление половины первичной обмотки трансформатора мало и токи невелики, напряжения на коллекторе в рабочих точках практически равны Е.

При полном использовании транзисторов нужно, чтобы

(4.241)

При этом максимальные напряжения и токи транзистора определяют из уравнений

Следовательно, транзисторы для двухтактного усилительного каскада надо выбирать исходя из условий

т. е. максимально допустимое напряжение транзистора при полном использовании последнего должно быть приблизительно в два раза выше значения напряжения питания Е.

Мощность, рассеиваемая в нагрузке , приведенной к первичной обмотке,

(4.244)

Найдем максимальную мощность, которую мог бы отдать каскад, исходя из значений допустимого напряжения и тока

(4.242):

Таким образом, максимальная мощность, отдаваемая двухтактным каскадом при тех же транзисторах, в два раза выше мощности, отдаваемой однотактным каскадом.

В этом случае мощность, отдаваемая в нагрузку,

(4.246)

где — КПД трансформатора .

В каждом плече двухтактного каскада протекает пульсирующий ток, среднее значение которого

(4.247)

Так как от источника питания отбирается мощность

(4.248)

то КПД коллекторной цепи найдем разделив на :

(4.249)

При максимальном выходном сигнале, если выполняются условия , КПД каскада будет максимальным:

(4.250)

Максимальный КПД, который можно получить от двухтактного каскада, работающего в режиме В, не может превысить 0,78. Следовательно, КПД двухтактного каскада почти в два раза выше КПД однотактного. На практике имеет несколько меньшее значение — порядка .

Так как в коллекторную цепь включено приведенное сопротивление нагрузки , напряжение и ток связаны соотношением

(4.251)

Коэффициент трансформации трансформатора, обеспечивающего согласование каскада с нагрузкой, определяют из выражения

(4.252)

Найдем максимальную мощность, отдаваемую каскадом, исходя из допустимой мощности рассеяния на коллекторе.

Для каждого транзистора справедливо соотношение

(4.253)

Тогда, подставив (4.244), (4.248) в (4.253), получим

(4.254)

Найдем, при каком токе рассеивается наибольшая мощность. Для этого продифференцируем по , т. е.

(4.255)

и найдем экстремум функции (4.255) приравняв левую часть к нулю. Получим, что максимальная мощность на коллекторе рассеивается при

(4.256)

Если , то, подставив (4.256) в (4.254), определим максимальную мощность, рассеиваемую на одном коллекторе. В первом приближении

(4.257)

Таким образом, максимальная отдаваемая мощность не может превышать значения, определяемого неравенством

Однако при выполнении этих неравенств из-за довольно сильного изменения мгновенной мощности коллекторные переходы могут перегреваться. Нетрудно показать, что мгновенная мощность может вдвое превышать среднюю мощность . Во избежание перегрева при расчете схем руководствуются следующим неравенством:

(4.259)

Для дальнейшего увеличения выходной мощности применяют параллельное включение транзисторов в плечи каскада.

При определении входной мощности в двухтактном каскаде используют суммарные (совмещенные) входные характеристики. В этом случае входную характеристику идеализируют и представляют в виде прямой линии, наклон которой определяется идеализированным входным сопротивлением (рис. 4.46, а). Это сопротивление несколько больше среднего входного сопротивления транзистора на омическом участке.

Приближенное значение входной мощности определяется выражением.

Рис. 4.46. Апроксимация входной характеристики выходного каскада (а); формы выходных напряжений (токов) у каскадов, работающих в области малых сигналов (б) и в режиме АВ (в)

(4.260)

Нелинейные искажения в режиме В существенно больше, чем в режиме А. Они возникают как во входной цепи из-за излома входной характеристики вблизи нуля (особенно характерно для кремниевых транзисторов), так и выходной цепи из-за неравенства токов коллекторов (асимметрии каскада), разных значений параметров транзисторов и наличия тока подмагничивания у трансформатора.

Нелинейность входной характеристики приводит и к типичным искажениям коллекторного тока в области малых сигналов (рис. 4.46, б) (искажения типа «ступеньки»).

Уменьшить эти искажения можно подавая на эмиттер отрицательное напряжение относительно базы и увеличивая его начальный ток. При этом каскад работает в режиме А В и ток покоя существенно больше, чем Входные характеристики имеют вид, показанный на рис. 4.46, в. В этом случае меньше, чем в схеме без смещения, и близко к . При этом несколько уменьшается КПД коллекторной цепи, а ток и мощность, потребляемая от источника питания, увеличиваются.

Смещение можно вводить и в цепь базы, используя делитель напряжения, например так, как показано на рис. 4.47, а. Здесь делитель напряжения образован терморезистором (роль которого часто выполняет диод, включенный в прямом направлении) и резистором .

Особенностью двухтактных схем является малая роль четных гармоник, особенно второй.

Рис. 4.47. Схемы двухтактного каскада с ОБ, работающего в режиме АВ (а), и двухтактного выходного каскада с ОЭ (б)

В случае идеальной симметрии четные гармоники отсутствуют вообще. Это объясняется тем, что магнитный поток подмагничивания магнитной системы выходного трансформатора определяется разностью начальных токов транзисторов. Если эти токи равны, подмагничивание отсутствует, и если параметры транзисторов полностью одинаковы, то токи (напряжения), «создаваемые» каждым из транзисторов, полностью идентичны. В итоге четные гармоники за оба полупериода равны и сдвинуты по фазе на 180°. Их значения за период при идеальной симметрии равны нулю.

Для двухтактных каскадов, в которых транзисторы включены с ОЭ (рис. 4.47, б), справедливо все сказанное. У них входная мощность, необходимая для «раскачки» каскада, обычно в Раз меньше, чем в каскадах с ОБ. Соответственно больше коэффициент усиления по мощности. КПД каскада меньше, а нелинейные искажения больше, чем у каскада с ОБ. Для уменьшения нелинейных искажений иногда вводят последовательную отрицательную ОС по току. С этой целью в цепь эмиттера включают небольшое сопротивление (единицы — сотни Ом). Режим АВ работы транзисторов обеспечивается с помощью делителя напряжения, состоящего из резистора и диода VD, причем диод VD также выполняет функции параметрического стабилизатора статического режима, так как падение напряжения на нем с изменением температуры меняется так же, как напряжение эмиттерного перехода транзисторов . При изменении температуры транзисторов и диода одновременно с изменением напряжения транзисторов , необходимого для обеспечения требуемого тока , изменяется напряжение смещения, снимаемое с диода .

Ток коллектора меняется мало, несмотря на то что параметры транзисторов с температурой изменяются. При этом важно, чтобы диод имел ту же температуру, что и транзисторы. Поэтому конструктивно его крепят на теплоотводе транзисторов, который называют радиатором.

В каскадах с ОЭ под оптимальным сопротивлением источника сигнала понимают то значение сопротивления, которое дает меньшие искажения каждой из полуволн (уменьшает четные гармоники). При этом оказывается, что значительно больше . Однако это невыгодно с точки зрения передачи мощности от предыдущего каскада. Поэтому часто выбирают , а коэффициент трансформации входного трансформатора находят из условия

(4.261)

Анализ работы усилительного каскада с ОЭ аналогичен анализу работы каскада с ОБ. Для уменьшения нелинейных искажений транзисторы, входящие в двухтактный каскад, подбираются идентичными по параметрам. Значительного уменьшения нелинейных искажений удается достигнуть только в случае охвата выходного каскада и предусилителя достаточно глубокой отрицательной ОС. Отрицательная ОС улучшает и частотные свойства каскада, несколько расширяя диапазон рабочих частот.

Двухтактные выходные каскады с ОЭ широко применяются там, где нужно получить наибольший коэффициент усиления по мощности при низких требованиях к нелинейным и частотным искажениям.

Таким образом, двухтактные трансформаторные каскады обеспечивают: 1) получение больших выходных мощностей; 2) получение повышенного КПД, который, однако, всегда меньше 0,78; 3) максимальное по сравнению с каскадами других типов усиление по мощности; 4) большие нелинейные искажения, чем у каскадов, работающих в режиме А; 5) хорошую температурную стабильность характеристики преобразования.