1. Простейшие схемы двухтактных каскадов

Двухтактным называется каскад, в котором объединены два однотактных усилительных каскада, работающих на одну общую нагрузку и управляемых взаимно противофазно одним и тем же усиливаемым колебанием.

Рис. 3

В режиме А с учетом противофазности управления плечами при полной их идентичности, отсутствии нелинейных искажений и синусоидальной форме колебания полные токи коллекторов

(4)

В трансформаторном каскаде ток источника питания равен их сумме и составляет 2 . Он не содержит переменной составляющей, что уменьшает паразитную ОС с предыдущими каскадами, питающимися от этого же источника. Коллекторные токи протекают через половины первичной обмотки выходного трансформатора в противоположных направлениях. Поэтому магнитный поток в его сердечнике пропорционален разностному току и не содержит постоянной составляющей. Отсутствие постоянного подмагничивания сердечника повышает его действующую магнитную проницаемость, а значит, позволяет уменьшить размеры и массу трансформатора.

Важным достоинством двухтактного каскада в режиме А является пониженный уровень нелинейных искажений, что обусловлено взаимной компенсацией влияния кривизны передаточных характеристик плеч, происходящей благодаря противофазности управления ими. Со спектральной точки зрения это выражается в отсутствии (компенсации) четных гармоник в выходном напряжении. В самом деле, при наличии искажений вместо (8.4) имеем

(5)

Здесь начальные фазы всех гармоник для простоты приняты равными нулю.

Колебание на вход второго транзистора подается противоположным по знаку, а для синусоидального колебания это эквивалентно сдвигу во времени на полпериода.

Тогда разностный ток

Следовательно, напряжение на нагрузке, пропорциональное разностному току, не содержит четных гармоник.

Линия нагрузки транзистора одного плеча в режиме А строится так же, как для однотактного каскада

,

где – коэффициент трансформации, равный отношению числа витков вторичной и всей первичной обмоток. Оно является общим сопротивлением нагрузки двух транзисторов, соединенных последовательно и работающих одновременно в каждый полупериод. Поэтому на один транзистор в режиме А приходится вдвое меньшее сопротивление .

В каскаде с бестрансформаторным выходом рис. 8.3, б по переменному току оба плеча подключены параллельно к одной и той же нагрузке. В режиме А они работают одновременно. Поэтому можно заменить параллельным соединением двух условно принадлежащих разным плечам, причем .

В режиме А энергетические соотношения для двухтактного каскада те же, что и для однотактного трансформаторного. Выходные мощности плеч суммируются, а максимальный КПД для каждой из рассмотренных схем равен 50 %.

2. Двухтактные каскады в режиме в

Если двухтактные каскады в режиме А дают очень малые нелинейные искажения, то в режиме В они обеспечивают хорошие энергетические показатели, т.е. имеют высокий КПД и малую мощность потерь в транзисторах. Схемы двухтактных каскадов в режимах А и В в основном одни и те же. Для перевода каскада в режим В достаточно исключить цепи смещения (строго говоря, уменьшить смещение до величины, обеспечивающей угол отсечки 90°).

Рис. 4

Нагрузочная прямая АВ (рис. 4, б) транзистора одного плеча выходит из исходной РТ А, в которой = 0, = . Ее наклон определяется сопротивлением нагрузки по переменному току одного транзистора , которое для схемы рис. 8.4, а (при R1 = 0) равно входному сопротивлению выходного трансформатора между выводами одной половины первичной обмотки (вторая половина в данный полупериод не работает):

(6)

Здесь – коэффициент трансформации одного плеча выходного трансформатора; – его КПД. Для схемы рис. 8.3, б (при R2 = R3 = 0) . Максимальная выходная мощность, отдаваемая транзисторами, . Она численно определяется площадью треугольника ABC.

, (7)

где – текущая фаза колебания. КПД в режиме В

, (8)

где — коэффициент использования напряжения питания. Из-за остаточных напряжений транзисторов коэффициент . Поэтому = 0,785. Используя понятие относительной амплитуды , можно записать . График приведен на рис. 5, а. При малых здесь КПД намного выше, чем в режиме А.

Рис. 5

Для построения графиков мощностей (рис. 5, б) выразим их через

(9)

где – максимальная выходная мощность идеальных транзисторов (не имеющих остаточных напряжений). Для них . Мощность потерь на коллекторах (двух в сумме) в режиме В имеет максимум при = 0,637. На рис. 8.5 участки графиков при | нереализуемы на практике и поэтому нанесены штрихами. В соответствии с (9)

. (10)

По сравнению с однотактным трансформаторным каскадом в двухтактном каскаде в режиме В при той же максимальная мощность потерь в несколько раз меньше. Если принять , т.е. и , то различие составляет в 5 раз, или в пересчете на один транзистор в 10 раз. Более высокий КПД и пониженная относительная величина максимальной мощности потерь в транзисторах являются главными преимуществами режима В.