Двухтактный усилитель мощности

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью показана на рис.5. Она выполнена на двух трансформаторах Т₁ и Т₂. Нагрузка R_н подключается с помощью выходного трансформатора Тр₂. Коллекторная цепь транзистора Т₁ подключена к первой секции его первичной обмотки ω_2-1, а транзистора Т₂ ко второй секции ω_2-2. Коэффициент трансформации Трансформатор Тр₁, имеющий коэффициент трансформации , выполняет функцию входного трансформатора. Он обеспечивает подачу входного сигнала на базовые цепи обоих транзисторов.

Двухтактный каскад может работать в режиме В или АВ. Режим АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R₁ и R₂ напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источника питания Е. В режиме В начальное смещение не создается и резистор R₁ отсутствует.

В отсутствие входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов относительно эмиттеров равны нулю. Токи в усилителе равны нулю и U_вых = 0.

i_к1

I_б1

Тр₁ Т₁ Тр₂

R₂ U_вых

U_вх - Е ⁺ R_н

R₁

Т₂

I_б2 i_к2

I_к

I_кm i_к1

О

I_ко U_кэ

Е

U_кm

Рис.5

При подаче входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке ω_1-1 трансформатора Тр₁ действует относительно эмиттеров отрицательная полуволна напряжения, а на вторичной обмотке ω_1-2 – положительная полуволна. В результате транзистор Т₂ остается закрытым, а через базу транзистора Т₁ протекает ток i_б1. Транзистор Т₁ открывается и через него протекает коллекторный ток i_к1 = β ∙ i_б1, а в обмотке ω_2-1 создается напряжение .На нагрузке действует положительная полуволна напряжения .

При поступлении на вход усилителя отрицательной полуволны напряжения полярность напряжений на вторичной обмотке Тр₁ изменяется на обратную. Теперь в закрытом состоянии будет находиться транзистор Т₁, а в усилении сигнала будет участвовать транзистор Т₂. На обмотке ω_2-2 трансформатора Тр₂ от протекания тока i_к2 = β ∙ i_б2 создается напряжение той же величины, что и в первом случае, только обратной полярности. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы.

Описанный процесс работы каскада поясняют графические построения на рис.5 для такта усиления транзистора Т₁. Линия нагрузки каскада по постоянному току, исходящая из точки с координатами (0; Е ), проводится почти параллельно оси токов, поскольку сопротивление в коллекторной цепи транзистора определяется малым активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора Тр₂. Поскольку в режиме покоя U_бэ = 0 и ток коллектора определяется обратным током I_ко, линия нагрузки каскада по переменному току пересекается с линией нагрузки по постоянному току в точке с координатами (I_ко; U_кэ≈Е). Линия нагрузки каскада по переменному току проводится с учетом того, что .

Определим соотношения, характеризующие энергетические показатели каскада.

Мощность выходного сигнала . С учетом потерь в трансформаторе мощность в нагрузке.

Так как потребляемый от источника питания ток I_и является пульсирующим током с амплитудой I_кm, его среднее значение

.

Мощность, потребляемая от источника питания .

КПД коллекторных цепей каскада и всего каскада.

И этих соотношений следует, что КПД каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив U_кm = E и η_тр= 1, находим предельное значение КПД: η = 0,785. Реальные значения КПД двухтактного трансформаторного усилителя мощности составляют 0,6 ÷ 0,7, что в 1,5 раза выше, чем в однотактном выходном каскаде.

Мощность, рассеиваемая в коллекторных переходах обоих транзисторов: , или .

Для определения максимальной рассеиваемой мощности P_{к max} продифференцируем Р_к по U_кm и приравняем производную нулю:

, откуда найдем величину U_кm, соответствующую P_{к max}: . Подстановкой находим выражение для подсчета максимальной суммарной мощности, теряемой в транзисторах:.

Выбор транзисторов по напряжению производят, исходя из его максимального значения, которое может составлять 2Е. Режим В, характеризуемый протеканием через каждый из транзисторов только одной полуволны тока, отличается лучшим их использованием по току. Выбор транзисторов по току производится по величине I_кm. В связи с этим, при одном и том же типе транзисторов, двухтактный каскад обеспечивает большую мощность в нагрузке, чем однотактный.

Однако, отсутствие в режиме В начального смещения приводит к сильным нелинейным искажениям выходного сигнала. Основная причина этого явления – нелинейность входной характеристики транзисторов на начальном участке (при малых токах базы).

Влияние нелинейного участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис. 6а.

I_б

i_б1

0

- U_бэ U_бэ t

i_б2

U_вх Рис.6 а. Режим В

- I_б

I_б

U_бо

i_б1

I_бо

- U_бэ U_бэ t

i_б2

U_вх

- I_б Рис.6 б. Режим АВ

Как видно из рис. 6,а при синусоидальном входном сигнале U_вх форма токов i_б1 и i_б2 получается искаженной. Вследствие этого будет искажена и форма токов коллекторов i_к1 и i_к2, а следовательно, выходное напряжение каскада.

Для уменьшения искажений в цепи баз обоих транзисторов вводят дополнительные резисторы (R₁, R₂), которые задают некоторое начальное смещение на базах транзисторов, соответствующее началу линейного участка их вольтамперной характеристики.

При наличии напряжения смещения U_бо и начальных токов I_бо≠0 обоих транзисторов входной сигнал воздействует на уменьшение базового тока одного транзистора и увеличения другого, в связи с чем, результирующая входная характеристика получается близкой к прямой линии, показанной на рис.6,б пунктиром. Влияние нелинейности входных характеристик на режим усиления исключается.

Задание небольшого напряжения смещения U_бо практически не сказывается на энергетических показателях схемы по сравнению с режимом В. Поэтому, для режима АВ действительны все приведенные ранее соотношения.