5.3. Двухтактное включение активных элементов

Структурная схема двухтактного усилителя мощности (УМ) в общем виде приведена на рис. 5.3, а. В идеальном случае напряже­ния на входах АЭ сдвинуты по фазе на половину периода рабочей частоты Т:

(5.12)

Рис. 5.3. Структурная схема двухтактного усилителя (а) и вариант его принципи­альной схемы (б)

Этот сдвиг осуществляется фазосдвигающей цепью, создающей з входного напряжения е_вх два противофазных напряжения е'_вх и е ' '_вх . Для определенности примем, что усилитель собран па БТ (рис. 5.3, б).

При идентичных транзисторах выходные (коллекторные) токи ри входных напряжениях (5.12) также сдвинуты на полпериода новной гармоники:

i' ' _к (t) = i'_вх(t+T/2). (5.13)

К общей нагрузке АЭ подключаются через вторую фазосдвигающую цепь, с помощью которой в нагрузке выделяется ток, пропорци-нальный разности токов АЭ:

(5.14)

Гармонический состав тока в нагрузке найдем, разложив токи и i' ' _к (t) и i' _к (t) в ряды Фурье:

(5.15)

(5.16)

Разность токов i' ' _к и i' _к (5.14) содержит только нечетные гармоники:

(5.17)

При работе АЭ импульсами косинусоидальной формы с углами сечки 180 и 90° в спектре выходного тока отсутствуют и все нечетные гармоники, кроме основной, поэтому углы отсечки 180 и 90° пред­ставляют особый интерес при использовании двухтактных схем.

На рис. 5.4 показан процесс формирования гармонического выход­ного тока при Θ = 90° и кусочно-линейных характеристиках АЭ.

В общем проводе питания схемы, приведенной на рис. 5.3, б, протекает сумма токов

(5.18)

содержащая только постоянные составляющие и четные гармоники. Это обстоятельство существенно облегчает задачу блокировки источника питани

Рис. 5.4. Временные диаграммы токов в двухтактном УМ для кусочно-линейной модели БТ при Θ = 90° и гармоническом напряжении возбуждения

Двухтактная схема, содержащая два идентичных АЭ, аналогично схеме параллельного включения АЭ отдает удвоенную полезную мощность в нагрузку, потребляет удвоенную мощность от источника питания и имеет удвоенную мощность возбуждения по сравнению с одним АЭ.

Основное преимущество двухтактной схемы заключается не столько в удвоении мощности усилителя, сколько в возможности подавления высших гармоник при сохранении сравнительно высо­кого КПД, если работать с углом отсечки 90°. Эта особенность двух­тактной схемы позволяет использовать ее, когда фильтрация высших гармоник другими способами невозможна или затруднительна. Бывают случаи, когда применение двухтактного включения позво­ляет не только снизить требования к фильтру на выходе УМ, но и отказаться от него.

Кроме того, двухтактная схема в силу своей симметрии относи­тельно земли удобна в случае, когда нагрузка симметрична относи­тельно земли.

Полная «очистка» сигнала от высших гармоник в двухтактном УМ связана с рядом препятствий, даже если усилитель оказывается И идеально симметричным. Нелинейность проходных характеристик и Инерционность АЭ, переходные процессы в режиме с отсечкой, нели­нейность нагрузки, температурные и временные «уходы» параметров АЭ ) исключают возможность формирования строго косинусоидальных импульсов выходных токов АЭ с углом отсечки 90°. На практике к этому добавляется неизбежная неидентичность плеч усилителя из-за естественного разброса параметров АЭ и пассивных элементов, а также отклонения от симметрии при монтаже.

Асимметрия плеч двухтактного усилителя вызывает нарушение симметрии режимов АЭ. Кроме роста уровня гармоник это, как и в Параллельной схеме, сопровождается снижением максимальной выходной мощности и КПД.

Универсальным средством снижения уровня как четных, так и Нечетных гармоник тока в усилителях является введение отрицатель­ной обратной связи (ООС).

Наличие АЭ двух типов проводимости (биполярные транзисторы p-п-р и п-р-п, полевые транзисторы с каналами типов р и п), т. е. комплементарных приборов, предоставляет особую возможность 1Я построения двухтактных схем, которые могут иметь более проcтые цепи связи.