2.2. Классификация режимов активных элементов в усилителях мощности

Активный элемент в усилителе мощности (см. рис. 1.3) работает при одновременном воздействии больших переменных напряжений на входе и выходе. В зависимости от того, насколько сказывается на токах АЭ изменение напряжения на выходе, будем различать два режима: слабого и сильного влияния напряжения е_вых на токи. Рас­смотрим временные диаграммы токов безынерционного АЭ в этих режимах.

Сначала построим зависимости i_вых.(t), i_вх (t) без учета влияния Для удобства дальнейшего анализа введем безразмерное время

Пусть на входе АЭ действует напряжение, равное сумме постоян­ного и гармонического переменного напряжений,

(2.6)

На основании (2.6), (2.1) и (2.5) запишем выражения для токов:

; (2.7)

(2.8)

В интервалах времени, в которых SU_BX cosτ < (Е_с - Е'), токи i_вх(τ) равны нулю, т.е. происходит отсечка тока. Поэтому функции i_вых(τ) и i_вх(τ) представляют собой последовательности косинусоидальных импульсов с отсечкой (рис. 2.4). При т = 0, 2п, ... токи принимают максимальные значения. При τ = ±0, 2π ± 0, ... выход­ной ток обращается в нуль. Из (2.7) и условия i_вых(Θ) = 0 можно найти угол Θ, определяющий момент перехода мгновенного напряже­ния е_вх(τ) через значение Е' и называемый углом отсечки выходного тока. Очевидно, что

(2.9)

Аналогично из (2.8) и условия i_ВХ(Θ_ВХ) = 0 находим угол отсечки входного тока (рис. 2.4)

(2.10)

При аппроксимации характеристик биполярных транзисторов принимают Е'_вх = Е' (см. рис. 2.4). В этом случае в соответствии с (2.9) и (2.10) Θ_вх =Θ.

Теперь учтем влияние е_вых на токи АЭ в усилителе мощности. Поскольку АЭ безынерционный, первая гармоника i_вых(τ) совпадает по фазе с напряжением е_вх(τ). Если в схеме усилителя мощности сопротивление нагрузки для первой гармоники вещественно, т.е. Z_H = R_H , то переменные напряжения на входе и выходе находятся в противофазе и, следовательно,

(2.11)

Где — сопротивление нагрузки; Е_п — напряжение пита­ния выходной цепи АЭ.

Рис 2.4 Построение импульсных токов и в недонапряженном режиме (случай, когда и )

Таким образом, минимумам е_вых соответствуют максимумы е_вх.

Рассмотрим, как влияет на импульсы токов увеличение напряже­ния на нагрузке U_H (например, из-за изменения R_н) при фиксирован­ных Е_с, U_BX и Е_п. Для нахождения i_вых(τ) при произвольных соотно­шениях между е_вх и е_вых нужно рассчитать зависимости i’_вых(τ) и i’’_вых(τ) по (2.1), (2.2) и затем найти истинное значение тока из усло­вия (2.4). Выражение (2.7) определяет ток i'_вых(τ). Для i''_вых(τ) из (2.2) и (2.11) получим выражение

(2.12)

Рассмотрим, как формируются импульсы токов АЭ, показанные на временных диаграммах рис. 2.5, а и б.

При i’_вых(τ) < i" _вых(τ) согласно (2.4) i_вых(τ) = i'_вых(τ), а ток i”_вых(τ) является фиктивным. При этом входной ток i_вх(τ) изменяется так, как показано на рис. 2.4,

Рис 2.5 Построение импульсов токов в безынерционном АЭ в недонапряженном (а), граничном(критическом) (б), перенапряженном (в), и сильно перенапряженном (г) режимах

причем влияние выходного напряжения е_вых(τ) на токи АЭ настолько мало, что им можно пренебречь.

При больших амплитудах в исходном импульсе тока образу­ется провал (кривые в и г на рис. 2.5), в области которого i_вых(τ) = - i" _вых(τ). Появление провала в выходном токе сопровождается выбро­сом во входном токе. Чтобы рассчитать его значение, необходимо к прежнему импульсу тока i_вх(τ) (см. рис. 2.4) прибавить часть, пропорци­ональную разности . В биполярных транзисторах это значение составляет 20...60 % разности

(i'_вых (τ) - i'’_вых (τ)) . Появ­ление провала в выходном токе и выброса во входном свидетель­ствует о сильном влиянии е_вых(τ) на токи АЭ.

Определим условия, при которых АЭ находится на границе облас­тей слабого и сильного влияния е_вых(τ) на токи. Такой режим называ­ется граничным или критическим (КР). При этом согласно диа­грамме на рис. 2.5

токи i’_вых(τ) и i"_вых(τ) равны только в одной точке τ= 0, где входное напряжение максимально:

. (2.13)

а напряжение на выходе принимает минимальное значение

. (2.14)

В критическом режиме эти напряжения связаны условием (2.3):

(2.15)

Отношение S/S_кp для АЭ различных типов лежит в пределах 1...20. При заданном е_{вх mах} минимальное (остаточное) напряжение на выходе е _{вых min кр} находится в точке излома выходной аппроксимированной характеристики АЭ

(точка К на рис. 2.5).

Режим, в котором остаточное напряжение на выходе больше кри­тического, т.е. e_{вых min} > e_{вых min кр} называется недонапряженным (HP). Переменное напряжение е_вых(τ) в HP слабо влияет на токи АЭ, и они имеют косинусоидальную форму (2.7), (2.8). Очевидно, в HP .

Режим, в котором остаточное напряжение меньше критического, т.е. е _{вых min} < е _{вых min кр} а импульс тока i_вых(τ) имеет провал, глубина которого зависит от амплитуды U_н называется перенапряженным (ПР).

Граничное значение τ = Θ_l т.е. «верхнего угла отсечки», определяю­щего границы временного интервала, внутри которого управление током

от е_вх передается е_вых, находится из условия i'_вых( ) = i" ( )

или . Отсюда можно опреде­лить угол отсечки Θ_l импульсов тока, вычитаемых из i'_вых (τ):

(2.16)

Если амплитуда напряжения на выходе настолько велика, что e_{вых min} <0 (так получается при U_H > Е_п), то в лампе

в течение части периода, пока е_вых < 0, ток i_вых отсутствует, а в полевом и биполярном транзисторах он течет в направлении, противоположном i'_вых при HP.

Такой режим для биполярного транзистора иллюстрируется времен­ной диаграммой на рис. 2.5, г и называется силъноперенапряженным.

Критический режим является граничным между недонапряжен­ным и перенапряженным. В реальном АЭ с плавными выходными характеристиками (см. рис. 2.1) переход от HP к ПР происходит не в одной точке, а в некоторой области изменения U_н, поэтому в КР уже наблюдается небольшая деформация в виде уплощения вершины импульса выходного тока.

Если сопротивление нагрузки Z_H имеет реактивную составляю­щую на частоте первой гармоники, то сдвиг фазы φ_н напряжения на нагрузке относительно первой гармоники тока АЭ не равен нулю и минимум напряжения е_вых(τ) сдвинут относительно максимума е_вх(τ). По аппроксимированным статистическим характеристикам АЭ, так же как на рис. 2.5, строится импульс тока в ПР (рис. 2.6). Видно,

Рис. 2.6. Импульсы тока в перенапряженном режиме:

а — настроенная нагрузка, φ_н = 0; б — расстроенная нагрузка, φ_н > 0; расстроенная нагрузка, φ_н <что при расстроенной коллекторной нагрузке провал в импульсе сме­щен относительно его центра.

Классификация режимов и построение импульсов токов АЭ в умножителях частоты выполняются аналогично.