1 ΞН(макс)

Рис.4.37

Из рисунка следует, что режим класса А транзисторов весьма неэкономичен. Каскад потребляет мощность от источника питания P₀, независимо от величины мощности отдаваемой в нагрузку. Мощность рассеяния усилительных элементов максимальна при отсутствии входного сигнала или малых его уровнях. Максимальный КПД не превышает 50%. Поэтому применение режима кл. А в оконечных каскадах усиления мощности не находит широкого применения.

Двухтактный каскад

Для увеличения мощности, отдаваемой в нагрузку, усилительные элементы каскада можно включать параллельно. Однако целесообразней использовать двухтактную схему, которая имеет целый ряд существенных преимуществ по сравнению со схемой параллельного включения. Принципиальные схемы двухтактного каскада с выходным согласующим трансформатором и без него приведены на рис.4.38.

Далее будет показано, что энергетические показатели и зависимость их от уровня входного сигнала определяются одинаково, как для трансформаторного, так и для бестрансформаторного каскада.

Поясним принцип работы двухтактного трансформаторного каскада. Стационарный режим в усилительных элементах VT1 и VT2 : находится так же, как и в трансформаторном каскаде рис.4.35, причем сопротивление

При отсутствии входного сигнала токи покоя первого и второго усилительного элемента , пройдя по половинам первичной обмотки трансформатора Т2, создают противоположно направленные магнитные потоки, так что при симметрии схемы в режиме покоя результирующий магнитный поток в сердечнике равен нулю. Это свойство схемы является ее достоинством, поскольку выходной трансформатор работает без подмагничивания и, следовательно, его габариты и вес могут быть значительно уменьшены по сравнению с трансформатором однотактной схемы, в котором существует подмагничивание сердечника, вызванное стационарным током , что вызывает уменьшение магнитной проницаемости материала.

При наличии входного сигнала на базы транзисторов противоположной проводимости поступают сигналы, одинаковой амплитуды и совпадающие по фазе. Тогда ток в верхнем плече схемы в первую половину периода возрастает на величину , а в нижнем плече уменьшается на такую же величину -. Существенным при этом является то, что направления приращений токов оказываются совпадающими в половинах первичной обмотки выходного трансформатора; следовательно, ампервитки половин первичной обмотки создают совпадающие магнитные потоки. Во вторую половину периода входного сигнала меняются знаки приращения токов верхнего и нижнего плеча, при этом обратные направления приращений токов плеч в половинах первичной обмотки трансформатора также оказываются совпадающими. Все это позволяет рассматривать работу двухтактной трансформаторной схемы в режиме класса А так, как будто первичная обмотка выходного трансформатора возбуждается гармоническим сигналом, при этом в области средних частот приведенное сопротивление нагрузки между зажимами первичной обмотки равно ,

где - коэффициент трансформации. Если средняя точка первичной обмотки трансформатора делит ее на две одинаковые части, то приведенное сопротивление нагрузки каждого плеча схемы будет в два раза меньше R_-, т.е.

Коэффициент трансформации выбирается так, чтобы площадь треугольника мощности 1/(2) была максимальной (см рис 4.36).

Прежде чем переходить к исследованию энергетических показателей, рассмотрим важное положительное свойство двухтактных схем, заключающееся в компенсации четных и сложении нечетных гармоник токов первого и второго плеча.

При фиксированной нагрузке зависимость тока коллектора от напряжения на переходе эмиттер-база:

может быть записана в виде достаточно быстро сходящегося степенного ряда, так что:

(4.28)

где - мгновенные токи коллектора транзисторов VT1 и VT2; - коэффициенты разложения функции I₂=f(U_ВХ) в ряд Тейлора, относящиеся к первому и второму транзисторам соответственно; - напряжения на переходах эмиттер-база транзисторов VT1 и VT2.

При синусоидальном входном сигнале и равенстве амплитуд возбуждающего сигнала имеем:

(4.29)

Подставляя (4.29) в (4.28), получим для тока :

Аналогично выражение для тока будет:

Знак продолжения … в круглых скобках двух последних выражений указывает, что далее идут слагаемые, получающиеся при учете высших – четвертого, пятого и т.п. членов разложения функции I₂=f(U_ВХ).

Токи в первичной обмотке трансформатора направлены встречно, поэтому результирующие ампервитки трансформатора будут:

(4.30)

Подставляя в (4.30) выражения , получим, что при полной симметрии схемы:

в токе нагрузки отсутствуют четные гармоники, в то же время амплитуды нечетных гармоник удваиваются. Если симметрия схемы не полная, то происходит частичная компенсация четных и сложение нечетных гармоник. В целом указанный эффект даже при наличии асимметрии плеч схемы ведет к уменьшению нелинейных искажений выходного сигнала. Коэффициент гармоник для симметричной двухтактной схемы записывается в виде:

здесь К_Г(од)- коэффициент гармоник однотактной схемы.

Если транзисторы двухтактной схемы неодинаковые, то вводится коэффициент асимметрии –b, при этом полагается, что ток первого усилительного элемента изменяется на величину (1+b), а второго – на (1-b). В этом случае нетрудно получить результат, заключающийся в том, что нечетные гармоники тока в нагрузке возрастают в два раза, а четные в величину – 2b. Поэтому коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала K_г асимметричной двухтактной схемы запишется в виде:

Двухтактная схема без выходного трансформатора- рис.4.38 работает так же, как и схема с трансформатором. Различие состоит лишь в том, что сопротивление нагрузки постоянному и переменному току в бестрансформаторной схеме одинаковое: .

Мощность, снимаемая с выходного электрода каждого плеча, определяется с использованием выражения (4.24), поэтому мощность, снимаемая с двух усилительных элементов, будет: . Мощность, выделяемая в нагрузке, также удваивается: . Мощность, потребляемая каскадом от источника питания, равна удвоенной мощности, потребляемой каждым плечом: . Коэффициент полезного действия:

Таким образом КПД однотактного и двухтактного каскадов в режиме класса А одинаковый. Мощность рассеяния на выходном электроде каждого усилительного элемента:

совпадает с мощностью рассеяния в однотактном каскаде.

Таким образом, основные энергетические показатели двухтактного каскада достаточно просто определяются через показатели однотактного каскада. Поэтому зависимость энергетических показателей двухтактного каскада от коэффициента использования усилительного элемента по напряжению такая же, как и в однотактном каскаде Невысокий КПД каскадов усиления мощности в режиме класса А приводит к использованию других режимов усилительных элементов, обеспечивающих больший коэффициент полезного действия.