8.8. Выходные каскады усилителей

Основным назначением выходного каскада усилителя является отдача в нагрузку заданной или максимально возможной мощности. Наиболее важными (основными) показателями выходного каскада являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность и КПД, уровень нелинейных искажений и полоса пропускания.

При расчете выходного каскада обычно задаются: выходная мощность Р_вых = Р_н, сопротивление нагрузки R_н, допустимый К.Н.И, f_н.гр и f_{в гр}. и пределы изменения температуры окружающей среды. При расчете необходимо выбрать напряжение источника питания, начальное положение рабочей точки (ток покоя коллектора), определить смещение входной цепи, приведенное к коллекторной цепи сопротивление нагрузки (для трансформаторного каскада), отдаваемую каскадом мощность, амплитуды входных тока и напряжения, входное сопротивление каскада, коэффициент нелинейных искажений, рассчитать элементы цепей смещения и стабилизации. Иногда необходимо произвести электрический и конструктивный расчет выходного трансформатора (n, L₁, R₁, R₂, L_s, и др.) и расчет радиатора охлаждения транзистора. Расчеты выходных каскадов производят графоаналитическим методом.

8.8.1. Однотактные выходные трансформаторные каскады режима класса а

Принципиальная электрическая схема выходного каскада для схемы с ОЭ и трансформаторным включением нагрузки показана на рис. 8.30, а.

а б

Рис. 8.30

В однотактной схеме транзистор отдает колебательную мощность

Р = Р_н / ,

где – коэффициент полезного действия трансформатора.

Отдаваемая транзистором максимальная мощность зависит от амплитуды переменных составляющих напряжения и тока коллектора

(рис. 8.30, б):

. (8.93)

Для прикидочных расчетов можно считать, что на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора падение напряжения составляет величину ΔЕ' ≈ 0,1Е_к. Если в схеме с ОЭ применена стабилизация обратной связью по постоянному току, то на сопротивлении R_Э создается дополнительное падение напряжения ΔЕ'' ≈ (0,1…0,2)Е_К;

Поэтому U_0К = E_К − ΔЕ_К, где ΔЕ_К = ΔЕ'+ ΔЕ''. U_0К целесообразно брать не более 0,4U_КМ; Тогда максимальная амплитуда:

(8.94)

Максимальное напряжение на коллекторе:

(8.95)

Тогда ограничение для максимальной амплитуды выходного сигнала:

U_КМ < 1 / 2 U_{К МАКС}.

Максимальная амплитуда тока коллектора:

;

8 ; .

Точка А определяет координаты I_км и I_0к. Через точки А и О проходит нагрузочная прямая по переменному току. Оптимальная нагрузка, при которой транзистор отдает максимальную мощность,

. (8.96) Сопротивление ; ; ; – коэффициент трансформации.

КПД трансформатора

; (8.97)

Коэффициент трансформации:

. (8.98)

Коэффициент полезного действия (8.99)

В схеме с ОБ ηА = 40…50 %, с ОЭ несколько меньше. Полный КПД ≈

≈ 30÷35 %.

Выделяемая на коллекторе мощность: Р_К = Р₀ – Р_Н. В режиме покоя

Р_Н = 0 и Р_К – максимальное.

При выборе транзистора необходимо, чтобы мощность, рассеиваемая на коллекторе, была меньше предельной мощности, которая может быть рассеяна на коллекторе.