4. Двухтактный усилитель мощности

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью представлена на рис. 2.19. По такой схеме в многокаскадном усилителе обычно выполняется оконечный каскад и на его вход через трансформатор Трподается напряжение с предоконечного каскада, работа которого рассмотрена в предыдущем разделе.

Рисунок 2.19. Схема двухтактного усилителя мощности

Вторичная обмотка трансформатора Тримеет отвод от средней точки, так что с крайних отводов этой обмотки на базы транзисторов мгновенные напряжения поступают противоположной полярности относительно средней, нулевой точки. Выбором сопротивления резистора Rобеспечивается работа транзисторов в режиме классаВ. Усиление в схеме рис. 2.19 происходит в два такта: в течение положительного полупериода входной сигнал усиливается одним транзистором (Т, как показано на рис. 2.19), а в течение отрицательного полупериода – другим транзистором. Графическое представление процесса усиления одним из транзисторов дается рис. 2.20. Линии нагрузок по постоянному и переменному токам проходят так же, как и на рис. 2.18, точка покоя находится на вольтамперной характеристике для I_Б= 0. Временная зависимость коллекторного тока транзистора в течение одного такта видна из рис. 2.20. Эти токи транзисторов протекают по входной обмотке трансформатораТр₂, которая также имеет нулевой отвод. Причем токи каждого транзистора, протекающие по своей части этой обмотки, имеют противоположные направления, так что направление тока, протекающего в первичной обмотке трансформатора Тр₂, изменяется каждый полупериод входного сигнала. Таким образом, несмотря на то, что каждый транзистор работает в нелинейном режиме, в результате сложения их токов в выходном трансформаторе происходит взаимная компенсация всех гармонических составляющих за исключением основной гармоники, частота которой совпадает с частотой входного сигнала. Этим обеспечивается отсутствие при усилении искажение сигнала.

Рисунок 2.20. Графическое определение мгновенных значений тока

и напряжения выходной цепи транзистора в составе

двухтактного усилителя мощности

Потребляемый двухтактной схемой ток от источника питания Еимеет вид непрерывного ряда импульсов, форма которых показана в левой части рис. 2.20. Амплитуда этих импульсов равнаI, а их длительность - полупериоду входного сигнала. Постоянная составляющая потребляемого тока равна среднему значению тока, протекающего через оба транзистора,

(2.31)

_кm sin ωt dωt = I _кm.

Откуда величина КПД рассматриваемого усилителя:

η = = 0,25 π.(2.32)

Максимальная величина КПД в режиме без искажения усиливаемого сигнала получается, когда точка А на рис. 2.20 достигнет участка вольтамперной характеристики, где коллекторный переход находится в открытом состоянии. В таком режиме

U ≈ Е. η ≈ 0,785.

Реальное значение КПД двухтактного усилителя мощности не превышает 60 – 70 %, что в 1,5 раза больше, чем в однотактном усилителе.

5. Обратные связи в усилителях

Под обратной связью понимается передача информации с выхода устройства или системы на его или ее вход. В электронных устройствах, в частности, в усилителе она используется для улучшения его показателей или придания ему новых свойств. На рис. 2.23 представлена структурная схема усилителя с обратной связью. Усилитель характеризуется комплексным коэффициентом усиления , а цепь обратной связи – комплексным коэффициентом передачи .

Рисунок 2.23. Структурная схема усилителя с обратной связью

Обратные связи классифицируются по способу передачи выходного сигнала в цепь обратной связи (по току или напряжению) и по способу введения этой цепью сигнала во входную цепь усилителя (параллельное или последовательное). Если выходная нагрузка и вход цепи обратной связи соединены последовательно, как показано на рис. 2. 24.а, то такая связь осуществляется по току, если же они соединены параллельно (рис. 2.24.б) – происходит связь по напряжению. Если цепь, по которой подается сигнал от внешнего источника и выход цепи обратной связи к выходу собственно усилителя подсоединены параллельно, как показано на рис. 2.24.в, то такая обратная связь является параллельной. Если же цепь от внешнего источника и выход цепи обратной связи соединены последовательно (рис. 2.24.г) – обратная связь последовательная.

В случае параллельной обратной связи по напряжению на входе самого усилителя напряжение равно:

= + , (2.37)

Рисунок 2.24. Виды обратных связей в усилителе

а – по току, б – по напряжению,

в – параллельная, г - последовательная

где - напряжение от внешнего источника, - напряжение, поступающее по цепи обратной связи. Если левую и правую части соотношения (2.37) разделить на (напряжение на выходе усилителя), то нетрудно получить

= + , (2.38)

где _u= - коэффициент усиления по напряжению собственно усилителя;

_uос= - коэффициент усиления по напряжению усилителя, охваченного обратной связью;

= - коэффициент передачи напряжения.

Откуда _uос = . (2.39)

Из соотношения (2.39) следует, что наличие обратной связи в усилителе может оказать существенное влияние на величину коэффициента усиления. Это влияние зависит от условий суммирования входного напряжения и напряжения обратной связи на входе усилителя. Наиболее интересны два крайних случая: когда суммирование напряжений происходит в фазе и противофазе. В первом случае, при положительной обратной связи, на входе усилителя напряжения складываются, а в соотношении (2.39) произведение является положительной и вещественной величиной. Во втором случае, при отрицательной обратной связи они вычитаются, и произведение- отрицательная и вещественная величина.

Очевидно, при положительной обратной связи, когда 1 > К_u χ_u > 0, коэффициент усиления усилителя, охваченного петлей обратной связи, становится больше коэффициента усиления собственно усилителя. Если К_u χ_u = 1,К_uос → ∞. В этом случае в усилителе устанавливается стационарный генераторный режим, когда выходной сигнал обеспечивается только за счет усиления сигнала, поступающего по цепи обратной связи. Условие К_u χ_u > 1 соответствует установлению в усилителе генераторного режима, т.е. такой режим не будет стационарным.

Случай, когда К_u χ_u < 0, соответствует отрицательной обратной связи, при которой коэффициент усиления становится меньше коэффициента усиления усилителя без обратной связи. Отрицательная обратная связь часто вводится в схему усилителя для достижения стабильности коэффициента усиления (при уменьшении его величины). В этом можно убедиться, продифференцировав соотношение (2.39), записанного для случая отрицательной обратной связи

d К_uос = = .

Деление этого соотношения на соотношение для K_u, записанного для случая отрицательной обратной связи, дает выражение для относительных изменений коэффициентов усиления

= ∙.(2.40)

Откуда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в (1 + К_u χ_u) раз меньше коэффициента усиления усилителя без такой связи.

Аналогичные выводы о влиянии положительной и отрицательной обратной связи можно получить, когда она осуществляется по току. Только в этом случае в соответствующих соотношениях в качестве параметров должны использоваться коэффициент усиления по току и коэффициент передачи тока.

Необходимо отметить, что отрицательная обратная связь используется в схеме усилительного каскада на рис. 2.3 для температурной стабилизации положения точки покоя на выходной характеристике транзистора. Действительно, при наличии резистора Rповышение температуры транзистора приводит к уменьшению величины базового тока, в результате чего происходит смещение точки покоя в направлении, противоположном тому, которое получается при повышении температуры (см. разд. 2.5).

Введение отрицательной обратной связи изменяет величину выходного сопротивления усилителя. В этом можно убедиться, если выход усилителя представить в виде эквивалентного источника ЭДС и определить его внутреннее сопротивление с учетом подключения цепи обратной связи. Очевидно, это сопротивление, определяемое как отношение величин напряжения в режиме холостого хода к току короткого замыкания

(2.41)

и является выходным сопротивлением усилителя, охваченного петлей обратной связи.

Для случая отрицательной обратной связи по напряжению входящее в соотношение (2.41) выходное напряжение усилителя в режиме холостого хода можно определить из следующего уравнения:

U_{ВЫХ ХХ} = К_u (U_ВХ – U_ОС) = К_u (U_ВХ – χ_uU_{ВЫХ ХХ}).

Откуда:

При коротком замыкании U_{ВЫХ КЗ} = 0, U_{ОС КЗ} = 0, величина ЭДС эквивалентного источника равнаК_u U_ВХ, а ток на выходе усилителя:

где R_ВЫХ – выходное сопротивление собственно усилителя. После подстановки полученных соотношений в (2.41) получается:

(2.42)

Таким образом, введение отрицательной обратной связи по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в раз.

При обратной связи по току в режиме холостого хода на выходе цепи обратной связи сигнал отсутствует, поскольку выходная цепь усилителя разомкнута. Поэтому на выходе усилителя напряжение

U_{ВЫХ ХХ} = U_ВХ К_u.

В режиме короткого замыкания на выходе усилителя напряжение при обратной связи по току равно U_У. Следовательно, ЭДС эквивалентного источника равнаU_УК_u, а поэтому величина тока:

Напряжение U_Упри отрицательной обратной связи

U_У= U_ВХ - U_{ВЫХ КЗ} = U_ВХ - U_У.

Откуда

U_У =

Поэтому, согласно (2.41):

(),

т.е. при наличии отрицательной обратной связи по току выходное сопротивление усилителя увеличивается.

Величина входного сопротивления усилителя, охваченного петлей обратной связи, зависит от способа подачи сигнала по цепи обратной связи на его вход. Например, при последовательной отрицательной обратной связи соотношение для входного сопротивления можно записать в виде:

(),

где R_ВХ – входное сопротивление собственно усилителя. Таким образом, введение последовательной отрицательной обратной связи увеличивает входное сопротивление усилителя в()раз.