Двухтактный усилитель мощности

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью выполнена на двух транзисторах (VT₁ и VT₂) и представлена на рис.10.4. Транзисторы VT₁ и VT₂ работают поочередно. Входной сигнал подается на базовые цепи транзисторов через входной трансформатор Т₁. Нагрузка подключается к каскаду с помощью выходного трансформатора Т₂. Коллекторная цепь транзистора VT₁ подключена к первой секции его первичной обмотки w_2–1, а транзистора VT₂ - ко второй секции w_2–2. Коэффициенты трансформации трансформаторов Т₁ и Т₂ определяются 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 резистор R₁ отсутствует, а резистор R₂ при 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 сигнала напряжения 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 полуволны входной синусоиды на вторичной обмотке w_1–1 трансформатора Тр₁ действует отрицательная относительно общей точки обмоток полуволна напряжения, а на вторичной обмотке w_1–2 - положительная полуволна. В результате транзистор VT₂ остается закрытым, а через входную цепь транзистора VT₁ протекает базовый ток i_Б1, обусловленный полуволной напряжения на обмотке w_1–1. При этом транзистор VT₁ открывается, и через него протекает коллекторный ток i_K1 = b×i_Б1, а в обмотке w_2–1 создается напряжение u_2–1 = i_K1×R_H~ = b×i_Б1×n₂²×R_H~. На нагрузке действует положительная полуволна напряжения u_H = u_2–1 / n₂.

При поступлении на вход каскада отрицательной полуволны напряжения полярность напряжения на вторичных обмотках входного трансформатора изменяется на обратную. В результате транзистор VT₁ оказывается закрытым, а в усилении сигнала участвует транзистор VT₂. На обмотке w_2–2 трансформатора Тр₂ от протекания тока i_K2 = b×i_Б2 создается напряжение той же величины, которое будет трансформироваться с обратной полярностью в нагрузочную обмотку w_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 = h_Тр2×Р_ВЫХ.К. (10.13.)

Т.к. потребляемый от источника питания ток i₀ является пульсирующим током с амплитудой I_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_К и h_Тр = 1, из (10.17.) находим предельное значение КПД: h = 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_К зависит от величины выходного сигнала каскада. Для определения максимальной мощности Р_Кm продифференцируем (10.18.) по U_Km и приравняем производную к нулю:

, (10.19.)

откуда найдем величину U_Km, соответствующую P_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 токов i_Б1 и i_Б2 получается искаженной. Вследствие этого искажена и форма токов коллекторов i_К1 и i_К2, а следовательно, и выходное напряжение каскада.

Для устранения нелинейности используют перевод каскада в режим класса АВ, при котором с помощью резисторов R₁, R₂ задается 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 смещения U_БП и 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.