3 Однотактный усилитель мощности с трансформаторной нагрузкой
В трансформаторных усилителях мощности транзисторы чаще всего включают по схеме с общим эмиттером. Простейший вариант схемы однотактного трансформаторного усилителя мощности с таким включением транзистора показан на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Схема однотактного трансформаторного усилителя мощности
В этой схеме применена термостабилизация тока базы, так как включение в цепь эмиттера значительного сопротивления невозможно из-за большой величины выходного тока. Поэтому обратная связь по постоянному току получается малоэффективной и не обеспечивает стабильности режима.
Первичная обмотка трансформатора служит коллекторной нагрузкой транзистора. Ее сопротивление для переменной составляющей коллекторного тока велико и зависит от коэффициента трансформации трансформатора и величины нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке.
2.2 Частотные характеристики трансформаторных усилителей мощности
Частотные свойства усилителя определяют его полосу пропускания и уровень линейных (частотных) искажений сигнала на его выходе. Анализ частотных свойств удобно производить по эквивалентной схеме.
Рисунок 2.3 – Эквивалентная схема однотактного усилителя мощности с трансформаторной нагрузкой
Полная эквивалентная схема однотактного усилителя мощности с трансформаторной нагрузкой приведена на рисунке 2.3.
В эквивалентной схеме использованы следующие обозначения:
Свых – сумма выходной емкости транзистора и межвитковой емкости первой обмотки трансформатора;
r1 и r2 – активные сопротивления, соответственно первой и второй обмоток трансформатора;
Сн – сумма емкости нагрузки и межвитковой емкости второй обмотки трансформатора;
Ls1, Ls2 – индуктивности рассеяния, соответственно первой и второй обмоток трансформатора;
L1 – индуктивность первичной обмотки L1 трансформатора.
С помощью индуктивностей Ls1 и Ls2 учитываются потери электромагнитной энергии в трансформаторе на рассеяние.
Идеальные индуктивности L1и L2связаны между собой общим магнитным потоком трансформатора Ф. Поэтому все сопротивления вторичной цепи трансформатора (активные и реактивные) могут быть пересчитаны в его первичную цепь по формуле
2
=
Определим пересчитанные по этой формуле значения элементов эквивалентной схемы:
=
.
Эквивалентная схема с пересчитанными значениями элементов изменится и примет вид, приведенный на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Эквивалентная схема с пересчитанными значениями элементов
На
выходе этой эквивалентной схемы действует
приведенное выходное напряжение
=Uвых/m.
Проведем анализ частотных свойств усилителя мощности раздельно на нижних, средних и верхних частотах рабочего диапазона.
В области низких частот (см. рисунок 2.5) основное влияние на работу усилителя оказывает индуктивность обмотки трансформатора L1, так как с понижением частоты сопротивление индуктивности падает и шунтирует нагрузку, вызывая завал АЧХ на нижних частотах.
На средних частотах влияние всех реактивностей схемы пренебрежимо мало и АЧХ равномерна. Эквивалентная схема УМ для средних частот показана на рисунке 2.6.
Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема УМ для низких частот
Рисунок 2.6 – Эквивалентная схема УМ для средних частот
На
верхних частотах (см. рисунок 2.7) необходимо
учитывать влияние индуктивности
рассеяния LS(LS=LS1+
)
и емкостей Свых
и
.В
схеме, приведенной на рисунке 2.7, возможно
возникновение двух резонансов.
Рисунок 2.7 – Эквивалентная схема УМ для верхних частот
Первый резонанс может возникнуть за счет наличия последовательного колебательного контура, образованного индуктивностью LSи емкостью нагрузки . Резонанс вызывает подъем АЧХ усилителя в области верхних частот.
Пренебрегая влиянием активных сопротивлений, определим частоту этого резонанса:
F01
=
Второй резонанс возможен в параллельном колебательном контуре, образованном емкостями Свых и и индуктивностью LS.Частота этого резонанса определяется выражением
F02
=
где
Сэкв=
На рисунке 2.8 представлена АЧХ однотактного трансформаторного усилителя мощности. В области верхних частот АЧХ имеет два всплеска, определяемых резонансами на частотах F01 и F02.
Рисунок 2.8 – АЧХ однотактного трансформаторного усилителя мощности
Между этими резонансами АЧХ может быть очень неравномерной. Поэтому верхняя граница полосы пропускания усилителя должна быть меньше F01. Чтобы не получить вблизи частоты F01 большой резонансный подъем АЧХ, надо понижать добротность последовательного контура, шунтируя первичную обмотку трансформатора сопротивлением Rш, которое подбирается опытным путем.
Однотактный усилитель мощности в режиме А имеет относительно низкий КПД. Использование в однотактной схеме энергетически более выгодных режимов В и АВ нецелесообразно из-за недопустимо высокого уровня нелинейных искажений.