2. Двухтактный усилитель мощности

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью выполнена на двух транзисторах (VT₁иVT₂) и представлена на рис.10.4. ТранзисторыVT₁иVT₂работают поочередно. Входной сигнал подается на базовые цепи транзисторов через входной трансформатор Т₁. Нагрузка подключается к каскаду с помощью выходного трансформатора Т₂. Коллекторная цепь транзистораVT₁подключена к первой секции его первичной обмотки_2–1, а транзистораVT₂ко второй секции_2–2. Коэффициенты трансформации трансформаторов Т₁и Т₂определяются как:

, (10.10)

. (10.11)

Двухтактный каскад может работать в режиме класса В или АВ. Режим класса АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R₁, R₂ напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источника питания Е_К. в режиме класса В начальное смещение не создается и резисторR₁отсутствует, а резисторR₂при этом используется для обеспечения работы входных цепей транзисторов в режиме, близком к режиму источника тока.

Рассмотрим работу схемы в режиме класса В.

При отсутствии входного сигналанапряжения на базах обоих транзисторов относительно их эмиттеров равны нулю. Можно считать, что токи усилителей и напряжение на нагрузке равны нулю. К коллектору каждого транзистора относительно эмиттера приложено постоянное напряжение источника питания Е_К.

При подаче положительной полуволнывходной синусоиды на вторичной обмотке_1–1трансформатора Тр₁действует отрицательная относительно общей точки обмоток полуволна напряжения, а на вторичной обмотке_1–2положительная полуволна. В результате транзисторVT₂остается закрытым, а через входную цепь транзистораVT₁протекает базовый токi_Б1, обусловленный полуволной напряжения на обмотке_1–1. При этом транзисторVT₁открывается, и через него протекает коллекторный токi_K1 = i_Б1, а в обмотке_2–1создается напряжениеu_2–1 = i_K1R_H~ = i_Б1n₂²R_H~. На нагрузке действует положительная полуволна напряженияu_H = u_2–1 / n₂.

При поступлении на вход каскада отрицательной полуволнынапряжения полярность напряжения на вторичных обмотках входного трансформатора изменяется на обратную. В результате транзисторVT₁оказывается закрытым, а в усилении сигнала участвует транзисторVT₂. На обмотке_2–2трансформатора Тр₂от протекания токаi_K2 = i_Б2создается напряжение той же величины, которое будет трансформироваться с обратной полярностью в нагрузочную обмотку_Н. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения. Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы. Первый такт сопровождается усилением одной полуволны напряжения с участием первого транзистора, а второй тактусилением другой полуволны с участием второго транзистора.

Графический расчет двухтактного усилителя мощности представлен на рис.10.5. Определим соотношения, характеризующие энергетические показатели каскада. Мощность выходного сигнала определяется площадью заштрихованного треугольника:

Р_ВЫХ.К=U_KmI_Km / 2. (10.12.)

С учетом потерь мощности в трансформаторе мощность в нагрузке:

Р_Н = _Тр2Р_ВЫХ.К. (10.13.)

Т.к. потребляемый от источника питания ток i₀является пульсирующим током с амплитудойI_Km, его среднее значение

. (10.14.)

Мощность, потребляемая каскадом от источника питания,

. (10.15.)

Из выражений (10.12.), (10.15.) находим КПД коллекторных цепей каскада:

(10.16.)

и КПД всего каскада:

. (10.17.)

Согласно (10.17.), КПД каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив U_Km = Е_Ки_Тр= 1, из (10.17.) находим предельное значение КПД:= 0,785. Реальные значения КПД рассматриваемого усилителя мощности составляют 0,6 – 0,7.

Мощность, рассеиваемая в коллекторных переходах обоих транзисторов.

. (10.18.)

В соответствии с (10.18.) мощность Р_Кзависит от величины выходного сигнала каскада. Для определения максимальной мощности Р_Кmпродифференцируем (10.18.) поU_Kmи приравняем производную к нулю:

, (10.19.)

откуда найдем величину U_Km, соответствующуюP_Km:

. (10.20.)

Подстановкой (2.20.) в (2.18.) находим выражение для подсчета максимальной мощности, теряемой в транзисторах:

. (10.21.)

Недостатком работы в режиме класса В являются значительные нелинейные искажения выходного напряжения и тока, обусловленные нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора (при малых токах базы). Влияние нелинейного начального участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис.10.6., где входные характеристики обоих транзисторов представлены на общем графике. При синусоидальном входном напряжении форма токовi_Б1иi_Б2получается искаженной. Вследствие этого искажена и форма токов коллекторовi_К1иi_К2, а следовательно, и выходное напряжение каскада.

Для устранения нелинейности используют перевод каскада в режим класса АВ, при котором с помощью резисторов R₁, R₂задается начальное напряжение смещения на базах транзисторов, соответствующее началу относительно линейного участка их вольт-амперной характеристики. Расположение входных характеристик обоих транзисторов с учетом напряжения смещения показано на рис.10.7. При наличии напряжения смещенияU_БПи начальных токов обоих транзисторов входной сигнал действует на уменьшение базового тока одного транзистора и увеличение другого, в связи с чем результирующая входная характеристика каскада получается близкой к прямой линии, показанной на рис.10.7. пунктирной линией. При синусоидальном входном напряжении ток базы транзисторов будет определяться полуволнами синусоиды. Для режима работы в классе АВ действительны все приведенные ранее соотношения, т.к. в классе АВ транзисторы работают при небольшом начальном смещении точки покоя.