15(2) Двухтактные выходные каскады.

В связи с тем что КПД однотактных выходных каскадов в режиме А меньше 0,5 в мощных выходных каскадах, часто используют двухтактные выходные каскады, работающие в режиме В или А В. Применя­ют три схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ, ОК. Двухтактные выходные каскады можно подразделить на ка­скады с согласующими выходными трансформаторами и бес-трансформа горные выходные каскады.

В трансформаторных каскадах удается, как правило, по­лучать лучшее согласование каскада и нагрузки, а также повышенную температурную стабильность. Они являются классическими схемами, обеспечивающими получение большой мощности. Их недостаток — наличие громоздких трансфор­маторов и значительные частотные и нелинейные искажения, несмотря на то что содержание четных гармоник в выходном сигнале у двухтактных каскадов существенно понижено.

В выходных каскадах с трансформаторной связью тран­зисторы чаще всего включают по схеме с ОЭ и ОБ.

Р ассмотрим каскад с ОБ, в котором активные приборы работают в режиме В (рис. 4.45, а). При отсутствии входного

Рис. 4.45. Схема двухтактного выходного каскада с ОБ (а) и построение для него линий нагрузки (б); эк­вивалентная схема для постоянного тока (в)

сигнала через транзисторы VT1, VT2 протекают малые началь­ные токи, так как VT1, VT2 практически заперты. При подаче синусоидального входного напряжения транзисторы открыва­ются поочередно. Каждый транзистор работает в течение одного полупериода, а в нагрузке токи обоих транзисторов алгебраически суммируются.

Построение линий нагрузки для двухтактного каскада (рис. 4.45 б) аналогично соответствующим построениям для однотактного каскада. При этом положение рабочей точки выбирают почти на оси абсцисс (для обоих транзисторов). Изменяющийся входной ток полностью запирает тот или иной транзистор в зависимости от полярности полуволны входного сигнала. При отсутствии сигнала токи транзисторов определяются точками пересечения линии нагрузки, проведен­ной через точки Е, 0 с наклоном, определяемым тангенсом угла (— 1/r₃), с кривыми соответствующими токами кол­лектора при коротком замыкании эмиттера с базой (/_к01, /_к02). Здесь r₃ — активное сопротивление одной секции обмотки W₃. Практически эти токи можно считать равными /_КБО тран­зистора.

Действительно, если база и эмиттер транзистора замкнуты между собой, то эквивалентная схема его для постоянного тока имеет вид, показанный на рис. 4.45, в. Если падение напряжения от тока /_кэо на сопротивлении г'₆ меньше напряже­ния U_6э, то эмиттерный переход закрыт и можно считать, что весь ток генератора тока /_КЭо протекает в цепи базы. Но ток в цепи базы вызывает в цепи коллекторного перехода ток h₂₁/_Б, направленный противоположно току /_Кэо-

Следовательно, результирующий ток базы

Так как при запертом эмимерном переходе токи базы и коллектора равны, то ток коллектора запертого транзистора приблизительно равен /_КБО. Для упрощения токи /_КБО обоих транзисторов считаем равными. Ввиду того что активное сопротивление половины первичной обмотки W₃ трансфор­матора Т2 мало и токи /_КБО невелики, напряжения на коллекторе в рабочих точках U_ко практически равны Е.

При этом максимальные напряжения и токи транзистора определяют из уравнений

Следовательно, транзисторы для двухтактного усилитель­ного каскада надо выбирать исходя из условий

При полном использовании транзисторов нужно, чтобы

т. е. максимально допустимое напряжение U_KЭmax транзи­стора при полном использовании последнего должно быть приблизительно в два раза выше значения напряжения пи­тания Е

Мощность, рассеиваемая в нагрузке R'_H, приведенной к пер­вичной обмотке,

Найдем максимальную мощность, которую мог бы отдать каскад, исходя из значений допустимого напряжения и тока :

Таким образом, максимальная мощность, отдаваемая двух­тактным каскадом при тех же транзисторах, в два раза выше мощности, отдаваемой однотактным каскадом.

В этом случае мощность, отдаваемая в нагрузку,

где _Т2 — КПД трансформатора Т2.

то КПД коллекторной цепи найдем разделив Р'_н на Р_о:

Так как от источника питания отбирается мощность

В каждом плече двухтактного каскада протекает пуль­сирующий ток, среднее значение которого

При максимальном выходном сигнале, если выполняются условия U_Km≈E_K; I_Km»I_K0, КПД каскада будет максимальным:

Максимальный КПД, который можно получить от двухтакт­ного каскада, работающего в режиме В, не может превысить 0,78. Следовательно, КПД двухтактного каскада почти в два раза выше КПД однотактного. На практике  имеет несколько меньшее значение — порядка 0,65—0,70.

Так как в коллекторную цепь включено приведенное сопротивление нагрузки R'_H, напряжение U_Km и ток 1_кт связаны соотношением

Коэффициент трансформации трансформатора, обеспечива­ющего согласование каскада с нагрузкой, определяют из выражения

Найдем, при каком токе 1_кт рассеивается наибольшая мощность. Для этого продифференцируем Р_к по /_кт, т. е.

Тогда, получим

Найдем максимальную мощность, отдаваемую каскадом, исходя из допустимой мощности рассеяния на коллекторе. Для каждого транзистора справедливо соотношение

и найдем экстремум функции приравняв левую часть к нулю. Получим, что максимальная мощность на коллекторе рассеивается при

Таким образом, максимальная отдаваемая мощность не может превышать значения, определяемого неравенством

Если E≈ U_Kmmax, то, определим максимальную мощность, рассеиваемую на одном коллекторе. В первом приближении

Однако при выполнении этих неравенств из-за довольно сильного изменения мгновенной мощности коллекторные пе­реходы могут перегреваться. Нетрудно показать, что мгновен­ная мощность Р_Кmах может вдвое превышать среднюю мощ­ность .Р'н_mах. Во избежание перегрева при расчете схем руководствуются следующим неравенством:

Для дальнейшего увеличения выходной мощности применя­ют параллельное включение транзисторов в плечи каскада.

При определении входной мощности в двухтактном каскаде используют суммарные (совмещенные) входные характеристики. В этом случае входную характеристику идеализируют и пред­ставляют в виде прямой линии, наклон которой определяется идеализированным входным сопротивлением R_3K (рис. 4.46, а). Это сопротивление несколько больше среднего входного со­противления транзистора на омическом участке.

Нелинейные искажения в режиме В существенно больше, чем в режиме А. Они возникают как во входной цепи из-за излома входной характеристики вблизи нуля (особенно харак­терно для кремниевых транзисторов), так и выходной цепи из-за неравенства токов коллекторов (асимметрии каскада), разных значений параметров транзисторов и наличия тока подмагничивания у трансформатора.

Нелинейность входной характеристики приводит и к типич­ным искажениям коллекторного тока в области малых сигналов (рис. 4.46, б) (искажения типа «ступеньки»).

Рис. 4.46. Апроксимация входной характеристики вы­ходного каскада (а); формы выходных напряжений (токов) у каскадов, работающих в области малых сигналов (б) и в режиме А В (в)

Уменьшить эти искажения можно, подавая на эмиттер отрицательное напряжение относительно базы и увеличивая его начальный ток. При этом каскад работает в режиме АВ и ток покоя существенно больше, чем /_КБО. Входные характеристики имеют вид, показанный на рис. 4.46, в. В этом случае R_ЭK мень­ше, чем в схеме без смещения, и близко к R_{вх ср}. При этом несколько уменьшается КПД коллекторной цепи, а ток и мощ­ность, потребляемая от источника питания, увеличиваются.

Смещение Е_э можно вводить и в цепь базы, используя делитель напряжения, например так, как показано на рис. 4.47, а. Здесь делитель напряжения образован терморези­стором R_t (роль которого часто выполняет диод, включенный в прямом направлении) и резистором R₁.

Особенностью двухтактных схем является малая роль четных гармоник, особенно второй. В случае идеальной

Рис. 4.47. Схемы двухтактного каскада с ОБ, работающего в режиме АВ (а), и двухтактного выходного каскада с ОЭ (б)

симметрии четные гармоники отсутствуют вообще. Это объяс­няется тем, что магнитный поток подмагничивания магнитной системы выходного трансформатора определяется разностью начальных токов транзисторов. Если эти токи равны, подмагничивание отсутствует, и если параметры транзисторов пол­ностью одинаковы, то токи (напряжения), «создаваемые» каждым из транзисторов, полностью идентичны. В итоге четные гармоники за оба полупериода равны и сдвинуты по фазе на 180°. Их значения за период при идеальной симметрии равны нулю.

Для двухтактных каскадов, в которых транзисторы вклю­чены с ОЭ (рис. 4.47, б), справедливо все сказанное. У них входная мощность, необходимая для «раскачки» каскада, обычно в h*_21э раз меньше, чем в каскадах с ОБ. Соответственно больше коэффициент усиления по мощности. КПД каскада меньше, а нелинейные искажения больше, чем у каскада с ОБ. Для уменьшения нелинейных искажений иногда вводят последовательную отрицательную ОС по току. С этой целью в цепь эмиттера включают небольшое сопротивление R_э (единицы — сотни Ом). Режим А В работы транзисторов обес­печивается с помощью делителя напряжения, состоящего из резистора R₁, и диода VD, причем диод VD также выполняет функции параметрического стабилизатора стати­ческого режима, так как падение напряжения на нем с из­менением температуры меняется так же, как напряжение эмиттерного перехода транзисторов (≈2,2 мВ/град). При из­менении температуры транзисторов и диода одновременно с изменением напряжения транзисторов U_БЭО, необходимого для обеспечения требуемого тока /_ко, изменяется напряжение смещения, снимаемое с диода VD.

Ток коллектора меняется мало, несмотря на то что параметры транзисторов с температурой изменяются. При этом важно, чтобы диод имел ту же температуру, что и транзисторы. Поэтому конструктивно его крепят на теплоотводе транзисторов, который называют радиатором.

В каскадах с ОЭ под оптимальным сопротивлением ис­точника сигнала R'_{r opt} понимают то значение сопротивления, которое дает меньшие искажения каждой из полуволн (умень­шает четные гармоники). При этом оказывается, что R'_{r opt} зна­чительно больше R_эк. Однако это невыгодно с точки зрения передачи мощности от предыдущего каскада. Поэтому часто выбирают R'_г= R_эк, а коэффициент трансформации входного трансформатора находят из условия

Анализ работы усилительного каскада с ОЭ аналогичен анализу работы каскада с ОБ. Для уменьшения нелинейных искажений транзисторы, входящие в двухтактный каскад, подбираются идентичными по параметрам. Значительного уменьшения нелинейных искажений удается достигнуть только в случае охвата выходного каскада и предусилителя достаточно глубокой отрицательной ОС. Отрицательная ОС улучшает и частотные свойства каскада, несколько расширяя диапазон рабочих частот.

Двухтактные выходные каскады с ОЭ широко применяются там, где нужно получить наибольший коэффициент усиления по мощности при низких требованиях к нелинейным и ча­стотным искажениям.

Таким образом, двухтактные трансформаторные каскады обеспечивают: 1) получение больших выходных мощностей; 2) получение повышенного КПД, который, однако, всегда меньше 0,78; 3) максимальное по сравнению с каскадами других типов усиление по мощности; 4) большие нелинейные искаже­ния, чем у каскадов, работающих в режиме А; 5) хорошую температурную стабильность характеристики преобразования.