Глава 8. Оконечные каскады усиления

8.1. Особенности оконечных каскадов, выбор транзисторов, расчет площади радиаторов.

Оконечным называется каскад усилителя, который:

• передает колебание со своего выхода непосредственно в нагрузку;

• обеспечивает необходимую интенсивность выходного сигнала;

• включается в конце усилительного тракта;

Оконечный усилитель в составе усилительного тракта определяет:

- требуемые напряжения и мощность усилительного тракта;

• к.п.д. всего усилителя;

• стоимость устройства и его эксплуатации;

С целью снижения стоимости усилителей, напряжений и мощности источников питания для питания усилителей, стремятся в оконечных каскадах использовать режимы по току близкие к максимальным, амплитуды токов и напряжений транзисторов делают близкими к их значениям в Н.Р.Т. или > и.х.

Т

U_бэ

U_бэ

I_к

ак как в оконечных каскадах напряжение и ток источника питания используются с большой интенсивностью, то достаточно сильно проявляется кривизна ВАХ транзисторов, что приводит к возникновению нелинейных искажений. Соответственно при проектировании оконечных каскадов производят оценку коэффициента гармоник.

Транзисторы любых каскадов выбирают исходя из того, чтобы:

• напряжение, ток и мощность не превышали граничных (допустимых значений);

• частота f_в оконечных транзисторов была бы не ниже верхней граничной частоты усилителя;

В транзисторах мощность потерь превращается в тепло, которое необходимо эффективно рассеять, не допуская перегрева транзистора. Для этого транзисторы оконечных усилителей размещают весьма часто на радиаторах, в качестве которых используют металлические конструкции из металлов с хорошей теплопроводностью (алюминий, медь).

Мощность потерь биполярного транзистора в основном выделяется на коллекторном р-n переходе, при этом Т_{п max}- max температура p-n перехода указывается в справочниках. Тепловой поток от p-n перехода к среде (Т_с) создает перепад температур пропорциональный рассеиваемой мощности (Р_пот) и тепловому сопротивлению (R_т).

_т→ для алюминиевой вертикальной необработанной пластины→ ≈13 Вт/(м²град);

_т→ для отпескоструенной и зачерненной поверхности→ ≈21 Вт/(м²град);

Тогда площадь радиатора:

Если задана max температура корпуса (обычно полевые транзисторы)=>

Оконечные каскады усилителей бывают однотактными и двухтактными. Простейшие из них – однотактные.

8.2. Однотактные каскады усиления мощности.

В однотактных каскадах усиления мощности используется один транзистор.

Если на выходе R_н подключается через трансформатор→ трансформаторный выход. (Рис 8.1.г).

+Е_пит

t

а. б.

Рис.8.1.

Нагрузка транзистора на переменном токе определяется соотношением:

Нагрузочная прямая (ВС) (переменный ток) проходит через точку А, которая выбирается на нагрузочной прямой на постоянном токе. На постоянном токе нагрузочная прямая проходит вертикально, т.к. r₁=0 (сопротивление первичной обмотки)=> U_ко=Е_п. I_ко- ток покоя.

Транзистор работает в режиме А, =>I_ко>>0. Точки В и С определяют max границы используемого участка нагрузочной прямой. (.)В→ на границе состояния насыщения, (.)С→ на границе отсечки. U (.)В→min, I(.)С→ min.=> u_ост, i_ост.

Т.к. при уменьшении i_к ЭДС самоиндукции первичной обмотки складывается с Е_п=>U_кэ может быть >Е_п.

Важный показатель каскада – кпд выходной цепи транзистора:

=>для любого каскада в режиме А→

Найдем _max.

Имеем Р_пт=Е_п I_п.ср. (за период I_п.ср.=I_ко, если r₁=0)=> Е_п=U_ко => Р_пт= U_ко I_o.

При max амплитуде → Р_Nmax= U_MKmax I_Mkmax/2 =>

_max= Р_Nmax/P_пт=0.5_max_{i max} (_max=U_Мкmax/U_ко; _{i max}= I_Мкmax/I_ко ) →

max коэффициенты использования Е_п и тока питания.

_max _{i max} <1, т.к. есть U_ост и i_ост => _max< 0.5.

Однако  _max и _{i max} дополнительно уменьшают, т.к. вблизи точек В и С работа транзистора сопровождается большими искажениями. Например, для звукового вещания → ≈ 0.3 и =0.09_max. При росте амплитуды выходного сигнала кпд также уменьшается, т.к. I_ср.≈ I_ко и постоянны в режиме А. Мощность пропорциональна квадрату амплитуды Р_N=² Р_Nmax.

+Е_пит

1 

R_н

а. б.

Рис.8.2.

На рис 8.2.г приведены зависимости Р_пт, Р_N и мощности потерь на коллекторе Р_к= Р_пт- Р_N от . Р_Kmax достигается при =0, т.е. в режиме покоя, когда вся мощность питания транзистора рассеивается на коллекторе:

Р_Kmax= Р_пт= Р_Nmax/_max.

По этому значению рассчитывается площадь радиатора.

В действительности r₁≠0, кроме этого в эмиттер транзистора включают транзистора включают R_э (резистор эмиттерной стабилизации, блокируется С_б ).=> на этих резисторах теряется часть напряжения питания => U_ко=E_п – I_ко(R_э + r₁) => уменьшается кпд.

Из-за нелинейности транзистора отрицательные и положительные полуволны усиливаются неодинаково. => Р_Nmax более точно можно рассчитать по удвоенным амплитудам:

Р_Nmax=2U_Мкmax 2I_MKmax/8.

Схема каскада на ПТ аналогична биполярной, только в этом каскаде может отсутствовать R_э, т.к. у ПТ отсутствует лавинный …….(стр 5)………………

В маломощных усилителях часто используют транзисторы с динамической нагрузкой (рис.8.2.б). Используется токостабилизирующий двухполюсник (VT2). Для подобного каскада U_МКmax≈ E_п/2 (не учитывается U_ост).

I_МКmax=I_Ко _max= 25% т.е. в два раза меньше чем в трансформаторном каскаде.

8.3. Вычисление коэффициента гармоник однотактного каскада.

По построенной сквозной передаточной характеристике можно вычислить коэффициент гармоник усилительного каскада.

Допустим на вход каскада подан сигнал ЭДС гармонический по форме, построенна передаточная характеристика i_к(t) (рис. 8.3.). Эта характеристика имеет искаженную (не гармоническую) форму и разлагается в ряд Фурье.

Рис.8.3.

Для упрощения расчетов принимаем, что е_гм=Е_гмcos(t) => периодическая функция i(t) – четная и ее разложение в ряд Фурье имеет только косинусы с нулевыми начальными фазами:

где I_ср – среднее значение или постоянная составляющая тока; I_m1, I_m2, I_m3,...- амплитуды гармоник тока, их необходимо найти.

Обычно для нахождения амплитуд гармоник тока используют метод пяти ординат , который позволяет определить амплитуды первых четырех гармоник.

На передаточной характеристике отмечаем пять точек ( I_max, I_0,5, I₀, I _{– 0,5}, I_min). Для этих точек t равно: 0, /4, /2, 3/4, .

Для первой точки t=0 => ряд запишется:

I_max=I_ср+I_m1+I_m2+I_m3+I_m4.

2-я точка : wt=/4 (0.695);

3-я точка : wt=/2 (0);

4-я точка : wt=3/4 (-0.695);

5-я точка : wt= (-1);

Исходя из этого:

I_m1=(I_max-I_min+I_0.5-I_-0.5)/3;

I_m2=(I_max+I_min-2I₀)/4;

I_m3=(I_max-I_min-2(I_0.5-I_-0.5))/6; (8.5.)

I_m4=(I_max+I_min-4(I_0.5+I_-0.5))/12;

I_m5=(I_max+I_min+2(I_0.5+I_-0.5))/16;

Более высокие гармоники менее интересны, т.к. их амплитуды заметно падают и их можно не учитывать, хотя, увеличивая число точек на передаточной характеристике, можно определить амплитуды любого числа гармоник. После этого можно определить коэффициент гармоник:

(8.6.)

Для каскада на полевом транзисторе метод пяти ординат применяется к передаточной характеристике вида:

i_с=f(U_зи).

8.4. Двухтактные каскады в режиме А.

8.4.1. Простейшие схемы двухтактных каскадов.

Двухтактным называется усилительный каскад, в котором объединены два однотактных каскада, работающих на одну общую нагрузку и управляемые взаимно противофазно одним и тем же колебанием. В подобных каскадах происходит процесс взаимного вычитания выходных сигналов 1-го и 2-го или соответственно формируется общий выходной сигнал. Благодаря этому происходит частичная компенсация нелинейных искажений, вносимых плечами. При этом режим А в двухтактном каскаде обеспечивает очень малые нелинейные искажения. Число подобных схем очень велико. Рассмотрим несколько из них.

а) Трансформаторный каскад (зис.8.4.)

R_н

Рис.8.4.

В этом каскаде усиливаемый сигнал на каскад подается через Тр₁, который выступает в роли передаточного звена и фазоинвертора вх. сигнала (на разных плечах вторичной обмотки трансформатора Тр₁ противоположный по фазе сигнал). Транзисторы включены по схеме с ОЭ. Резистивный делитель R₁ и R₂ задает смещение на базы VT₁ и VT₂ и соответственно обеспечивает заданные I_ко1, I_ко2, U_КЭ1, U_КЭ2 (т.е ИРТ).

В этой схеме при возрастании тока коллектора одного транзистора (переменный сигнал), происходит уменьшение коллекторного тока второго транзистора и наоборот, что обеспечивает формирование разностного сигнала в Тр₂ и соответственно передачу его к R_н . Подобные каскады достаточно просты, однако трансформаторы имеют большие габариты и стоимость и низкий  (0.7-0.9), вносят большие искажения и фазовые сдвиги на краях полосы пропускания, что препятствует их охвату глубокой ОС, т.к. нарушается устойчивость.

По этому широко используются безтрансформаторные усилительные каскады усиления мощности, однако в этих каскадах при малых R_н, понижено усиление по напряжению и => по мощности и => требуется повышенная амплитуда выходного тока.

Пример:

Пусть U_вых=1;2;4 в, R_н=4 Ом.

Определить Р.

• при увеличении U в 2 раза, Р увеличивается в 4 раза.

б) Бестрансформаторный каскад (транзисторы включены по схемеОК) (рис.8.5.).

Рис.8.5.

R₁≈R₄> R₂≈R₃

Особенностью безтрансформаторных двухтактных усилительных каскадов является наличие 2-х источников питания. В приведенной схеме используются комплементарные (разных типов проводимости) транзисторы.

Резистивный делитель R₁-R₄ задает смещение на базы VT1-VT2 и соответственно формирует I_ко~I_эо (ИРТ). За счет использования транзисторов различного типа проводимости не требуется фазоинвертор, поскольку входной сигнал, открывая один транзистор , одновременно запирает второй транзистор. Подобный каскад обеспечивает усиление по току, но не по напряжению.

8.4.2. Свойства двухтактных каскадов.

В режиме А с учетом противофазности управления двухтактных каскадов имеем:

i_к1=I_к0+I_mкsin(wt); (8.7.)

i_к2=I_к0-I_mкsin(wt); (8.8.)

В трансформаторном каскаде I_пит=i_к1+i_к2=2I_ко => он не содержит переменной составляющей и уменьшается отрицательная ОС с предыдущими каскадами.

В трансформаторном каскаде коллекторные токи протекают через половины первичной обмотки вых. трансформатора в противоположных направлениях магнитный поток в его сердечнике пропорционален разностному току:

i_р=i_k1-i_k2=2I_мкsin(t);

 отсутствует постоянная составляющая  повышается действующая магнитная проницаемость сердечника  уменьшается размер Тр.

В любой схеме амплитуды переменных составляющих i_k складываются в нагрузке.

Достоинство двухтактных каскадов в режиме А  пониженный уровень нелинейных искажений, т.к. происходит взаимная компенсация кривизны передаточных характеристик транзисторов. Со спектральной точки зрения это выражается в отсутствии четных гармоник. Из (8.7.) имеем:

i_к1=I_к0+I_m1sin(w)t+I_m2sin(2wt) +I_m3sin(3wt) +I_m4sin(4wt)+...;

На базу второго транзистора колебания подаются в противофазе, т.е. сдвинутыми по фазе на /2. Отсюда 1-е гармоники i_к1 и i_к2 имеют противоположные знаки. Сдвиг на полпериода 1-ой гармоники равносилен сдвигу на период 2-ой гармоники, т.е. 2-ая гармоника i_к1 и i_к2 имеет туже фазу. Продолжив эти рассуждения имеем:

i_к2=I_к0-I_m1sin(wt)+I_m2sin(2wt) -I_m3sin(3wt) +I_m4sin(4wt)-...;

i_р=i_к1-i_к2=2(I_m1sin(wt)+-I_m3sin(3wt) +I_m5sin(5wt)+...);

 напряжение на нагрузке, пропорциональное разностному току, не содержит четных гармоник. Однако, если граничные значения частоты транзисторов сильно отличаются, то высокочастотные гармоники не точно совпадают по амплитуде и фазе компенсируются не полностью.

Достоинство двухтактных усилительных каскадов в режиме А – слабая чувствительность к пульсациям питающего напряжения, т.к. они компенсируются в разностном токе.

Линия нагрузки строится как и для однотактного каскада. Наклон нагрузочной прямой на переменном токе определяется сопротивлением нагрузки одного транзистора R_нт1.

В трансформаторном каскаде переменная составляющая тока не проходит к источнику питания  средний вывод трансформатора можно отсоединить от генератора при анализе. Тогда входное сопротивлении выходного трансформатора равно:

Это общее сопротивление нагрузки двух транзисторов , соединенных последовательно и работающих одновременно в каждый полупериод на один транзистор в режиме А приходится сопротивление нагрузки в двое меньшее:

В каскаде с бестрансформаторным выходом по переменному току оба транзистора подключены параллельно к нагрузке

 R_НТ1=2R_Н  R_Н=R_НТ1/2.

Для этого двухтактного каскада энергетические соотношения те же, что и для однотактного трансформаторного. Выходные мощности плеч суммируются, а max КПД для каждой из рассмотренных схем ≈ 50%.

8.5. Двухтактные каскады в режиме В.

Если двухтактные каскады в режиме А имеют малые нелинейные искажения, то в режиме В они обеспечивают :

• хорошие энергетические показатели;

• малую мощность потерь в транзисторах;

Врежиме ВU_см выбирают так, чтобы I_ко≈0.  каждый транзистор работает в один полупериод (открыт один полупериод, второй заперт) колебаний (рис.8.7.а).

A U_к

A

а. б.

Рис.8.7

Нагрузочная прямая АВ (рис.8.7.б) одного транзистора выходит из ИРТ (I_ко≈0, U_ко≈Е_п.). Наклон определяется сопротивлением нагрузки по переменному току одного транзистора. R_нт1 это сопротивление для схемы (рис.8.4.) (при r₁=0) равно входному сопротивлению выходного трансформатора между выводами одной половины (вторая половина в данный момент не работает):

Для схемы (рис.8.5.) (без трансф.)  (R₂=R₃=0)  R_нт1=R_н max мощность, отдаваемая транзисторами:

(численно определяем S_{∆ ABC}, рис.8.7.б).

Определим КПД выходной цепи при синусоидной форме колебаний.

I_п сумма однополупериодных колебаний обеих транзисторов с амплитудой I_m.к.

где -текущая функция колебания.

Это площадь над полуволной синусоиды тока за период π мощности питания:

P_П=Е_П I_{П ср}.

Выходная мощность, отдаваемая транзистором :

P_~=U_mкI_mк/2.