Каскад с ОБ трансформаторным входом и трансформаторным выходом.

Рассмотрим схему, представленную на рис. 4.42, а. Точка О, определяющая ток покоя транзистора (рис. 4.42, б), находится на линии статической нагрузки. Она построена по правилам, рассмотренным в § 4.3. Из точки на оси абсцисс с координатами Е, О проведена прямая под углом, тангенс которого равен где активное сопротивление первичной обмотки трансформатора. Так как активное сопротивление первичной обмотки трансформатора достаточно мало, то линия нагрузки по постоянному току проходит почти вертикально. Ток покоя задается напряжением и резистором .

Для построения линии динамической нагрузки (нагрузки по переменному току) сопротивление приведено к первичной обмотке . Через точку О проведена линия динамической нагрузки под углом, тангенс которого — .

При подаче на вход синусоидального сигнала ток коллектора будет изменяться практически по синусоидальному закону с амплитудой . Это является следствием перемещения рабочей точки по нагрузочной прямой в диапазоне от с до b в соответствии с мгновенным значением входного тока .

Следует отметить, что напряжение , соответствующее точке с нагрузочной линии, существенно превышает Е. Это возможно только при наличии трансформатора и объясняется тем, что энергия, накопленная индуктивностью намагничивания, при уменьшении тока вызывает появление ЭДС самоиндукции.

Мощность, рассеиваемая в нагрузке ,

(4.221)

где и - амплитудные значения напряжения и тока.

Для нахождения мощности в истинной нагрузке следует учитывать, что КПД трансформатора , поэтому

(4.222)

Если выходная мощность задана, то, зная приблизительно , можно найти мощность , которую необходимо получить от каскада.

Рис. 4.42. Схема олнотактного выходного каскада с ОБ, работающего в режиме А (а); построение статической и динамической характеристик (б); определение среднего значения входного сопротивления (в)

Для того чтобы наиболее полно использовать транзистор, координаты точки О нужно выбирать из условия получения максимальных требуемых амплитуд напряжения и тока коллектора, т. е.

(4.223)

На максимальные значения амплитуд токов и напряжений накладываются очевидные ограничения:

где соответственно максимально допустимое напряжение и ток для данного транзистора.

Зная и , можно связать их с , т. е.

(4.225)

и найти коэффициент трансформации

(4.226)

Усилительный каскад, работающий в режиме А, в первом приближении можно считать линейным. Поэтому мощность, отдаваемая источником питания, не зависит от входного сигнала:

(4.227)

Из (4.225) видно, что максимальный КПД имеет место при .

При этом он будет близок к своему максимально допустимому значению 0,5 (практически не выше 0,45). Если учесть потери в трансформаторе и цепях смещения , то реально достижимый КПД находится в пределах .

С учетом неравенств (4.224) определим максимальную мощность, которую может отдать транзистор:

Не следует забывать, что максимальная мощность ограничена не только допустимыми напряжением и током, но и допустимой мощностью рассеяния на коллекторе . В усилительном каскаде мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,

и КПД коллекторной цепи

(4.230)

Подставляя в , найденное из (4.230), получим

(4.231)

Отсюда можно записать приближенное неравенство, позволяющее выбрать транзистор по значению допустимой мощности рассеяния в коллекторной цепи:

(4.232)

Так как КПД коллекторной цепи для оценки допустимой мощности рассеяния в коллекторной цепи можно использовать другое приближенное неравенство

(4.233)

Входную мощность, которую должен отдавать каскад предварительного усиления, обычно определяют приближенно. Это обусловлено нелинейностью характеристики (рис. 4.42, в). Поэтому берем усредненное значение входного сопротивления, которое для схемы с ОБ при больших токах

(4.234)

Тогда необходимая мощность на входе каскада

(4.235)

Коэффициент усиления по мощности каскада найдем как отношение

(4.236)

Учитывая, что , получим

(4.237)

Из последнего выражения видно, что для повышения коэффициента усиления по мощности сопротивление желательно брать большим, поэтому заданную мощность целесообразно обеспечивать за счет повышения амплитуды выходного напряжения, а не тока.

Рис. 4.43. Выходные характеристики, поясняющие причины появления нелинейных искажений: а птаиие входной пени очника птаиие входной пени напряжения

Нелинейные искажения возникают в выходной (коллекторной) и во входной цепях. Они обусловлены зависимостью от тока и нелинейностью входной характеристики.

Если задать синусоидальный входной ток , то кривая будет сильно искажена (рис. 4.43, а), но это почти не отражается на выходном напряжении, так как оно определяется током эмиттера.

Если задать синусоидальное напряжение (питание от источника ЭДС), то ток будет несинусоидальным и, как следствие, наблюдаются сильные нелинейные искажения выходного сигнала (рис. 4.43, б).

Таким образом, для уменьшения нелинейных искажений, вызванных входной цепью, необходимо увеличивать сопротивление источника , тем самым функционально приближая источник сигнала к генератору тока. Однако при этом увеличиваются потери мощности на этом сопротивлении и поэтому выбирают обычно меньше .

Для уменьшения нелинейных искажений часто идут на снижение КПД и выбирают большое значение тока покоя . Он у мощных транзисторов может достигать десятков — сотен .

Коэффициент трансформации входного трансформатора Т1 определяют из уравнения

(4.238)

в котором иногда задают из условия согласования:

(4.239)

Для мощных выходных каскадов с ОЭ (рис. 4.44, а) в основном справедливо все сказанное выше. Однако имеются и некоторые отличия. Входная мощность этих каскадов значительно меньше (приблизительно в раз) и соответственно больше коэффициент усиления по мощности. Влияние нелинейности входной характеристики на нелинейные искажения значительно больше, чем у каскада с ОБ. Как правило, отсутствует резистор в цепи эмиттера , так как при больших токах его сопротивление должно иметь очень малое значение и емкость С должна быть очень большой.

Требуемое напряжение смещения обеспечивается с помощью диода VD.

Рис. 4.44. Схема выходного каскада с ОЭ, работающего в режиме А (а); его статическая и динамическая выходные характеристики (б)

Вместе с резистором он образует делитель напряжения. Вследствие малого дифференциального сопротивления диода можно считать, что по переменному току соответствующий вывод обмотки трансформатора подключен к общей шине. Кроме того, с помощью диода осуществляется температурная стабилизация положения рабочей точки в статическом режиме работы. Это обусловлено идентичностью температурных характеристик диода и эмиттерного перехода.

Выходные характеристики с линией нагрузки и построениями, поясняющими изменения тока и напряжения коллектора, возникающими при подаче входного сигнала, приведены на рис. 4.44, б.

Главное преимущество каскада с ОЭ перед каскадом с ОБ то, что его коэффициент усиления по мощности в пределе может быть в раз больше. Однако на практике такой выигрыш в усилении по мощности реализовать не удается из-за меньшего значения в схеме с ОЭ и соответственно более низкого сопротивления , которое можно использовать. Тем не менее оно достаточно большое, поэтому во многих случаях отдают предпочтение каскаду с ОЭ, несмотря на то что по остальным показателям он уступает каскаду с ОБ. У него: 1) использование рабочего диапазона напряжений хуже, чем в схеме с ОБ, из-за того, что напряжение в точке b принципиально не равно нулю и, как следствие, каскад имеет меньший КПД; 2) температурная стабильность хуже, так как коэффициент , достаточно сильно изменяется с температурой и отсутствует сопротивление в эмиттерной цепи, с помощью которого обычно осуществляют термостабилизацию; 3) нелинейные искажения выше, так как сильно зависит от тока.