Однотактные выходные каскады на транзисторах

Простейшим способом подключения нагрузки в усилителе мощности является непосредственное ее включение в выходную цепь транзистора, как показано на рис. 2.1. Достоинство данного включения связано с простотой схемы, недостатком является протекание через нагрузку постоянной составляющей тока электропитания и невысокий КПД.

Рис. 2.1. Усилитель мощности с включением нагрузки в коллекторную цепь транзистора

Определим максимальную выходную мощность для схемы рис. 2.1, считая, что остаточные напряжения и ток усилительного элемента равны нулю. Мощность сигнала, выделяемая в нагрузке, равна

.

Найдем максимально возможный КПД,

.

Сопротивление нагрузки, необходимое для получения такого КПД, имеющего место лишь при полном использовании, как тока, так и напряжения, равно

Изменение сопротивления нагрузки, уменьшение амплитуды входного сигнала и наличие остаточного напряжения и тока транзистора приводят к уменьшению максимального кпд каскада.

Усилитель мощности, схема которого приведена на рис. 2.1, может быть использован для усиления сигналов произвольной формы в режиме А или сигналов одной полярности в режиме В.

При отсутствии в нагрузке индуктивной составляющей максимальное напряжение источника питания выбирается из условия E ≈ U_{кэ max}. Ток покоя I_о равен сумме I_{m вых} и остаточного тока транзистора I_min. Максимальный коллекторный ток

Напряжение источника питания для рассматриваемого усилителя

.

где U_ост — остаточное напряжение, определяемое по семейству выходных характеристик биполярного транзистора.

Реально кпд, получаемый от каскада с непосредственным включением нагрузки, меньше предельного из-за остаточного тока и напряжения и не превышает 20%. Низкий кпд и наличие постоянной составляющей в нагрузке тока ограничивает использование данного усилителя мощности.

Постоянную составляющую тока коллектора можно исключить, если R_н включить через конденсатор. Однако в этом случае кпд будет еще меньше (около 8,7%) при синусоидальном входном сигнале. Реально кпд получается 5 - 6 %, что ограничивает использование таких каскадов в качестве усилителей мощности.

Для получения большего значения кпд и устранения постоянной составляющей коллекторного тока транзистора в нагрузке применяют трансформаторные усилители мощности.

На рис. 2.2, а, приведена простейшая cхема однотактного усилителя мощности с трансформаторным включением нагрузки. Для анализа ее работы рассмотрим семейство выходных характеристик транзистора с построенной линией нагрузки для переменного тока (рис. 2.2, б).

Линия нагрузки для постоянного тока при U_вх = 0 будет проходить через точку А вертикально, если пренебречь падением напряжения на сопротивлении первичной обмотки трансформатора. Линия нагрузки по переменному току проходит через выбранную рабочую точку с координатами U_ок и I_ок под углом, определяемым действующим сопротивлением нагрузки в коллекторной цепи R^′_н

,

где п — коэффициент трансформации трансформатора;

ω₁ , ω₂ - число витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

Для получения от транзистора наибольшей выходной мощности линию нагрузки следует проводить как касательную к кривой Р_{к мах} в пределах области, ограниченной допустимыми значениями I_{к max} и U_{к max}. При работе усилителя базовый ток I_б меняется от I_{б min} до I_{б max}. При этом ток коллектора меняется от I_{к min} до I_{к max}.

а) б)

Рис. 2.2. Усилитель мощности с трансформаторным включением нагрузки — а и выбор его режима работы — б

Из рис. 2.2, б, видно, что амплитуда переменного тока I_{к m} и напряжения U_{к m} транзистора равны соответственно

; .

Если током I_{к min} и напряжением U_{к min} можно пренебречь, то

I_{к m} = 0,5 I_{к max}; U_{к m} = 0,5 U_{к max}.

Для получения минимальных нелинейных искажений координаты рабочей точки следует выбирать из условия симметрии полуволн тока и напряжения. При этом

.

Определим мощность в нагрузке

.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора при отсутствии входного сигнала, будет равна

.

Следовательно, при заданной P_н выбор типа транзистора в рассматриваемой схеме должен производиться с учетом равенства

Определим кпд усилителя, пренебрегая потерями в трансформаторе

,

где Р₀ — мощность, потребляемая от источника питания;

— коэффициент использования тока коллектора;

— коэффициент использования коллекторного напряжения.

При идеализированных характеристиках транзистора коэффициенты использования тока и напряжения можно считать равными единицы. В этом случае _max = 0,5. В реальной схеме  может составлять 35 – 40 %.

Наклон линии нагрузки на рис. 2.2 б, определяется, как указывалось выше, действующим сопротивлением нагрузки в коллекторной цепи. При заданном значении мощности в нагрузке сопротивление нагрузки

Приведенное выражение дает возможность определить коэффициент трансформации выходного трансформатора при заданном значении напряжения источника питания.