книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Г л а в а VII

МОЩНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

§ 7. I. ОСОБЕННОСТИ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ

Мощные каскады обычно применяют на выходе усилителя, когда мощность усиленного сигнала достигла значительной величины. В мощных каскадах, как правило, мощность, рассеиваемая в транзисторе при прохождении сигнала, становится сравнимой с допустимой мощностью рассеивания. Поскольку выходные кас­ кады работают со значительным потреблением энергии, помимо усилительных характеристик каскада, о которых говорилось раньше, важное значение приобретает его экономичность. Коэф­ фициент полезного действия является одной из основных харак­ теристик выходного каскада.

При проектировании мощных каскадов одной из основных задач является обеспечение заданной мощности в нагрузке при допустимых коэффициентах частотных и нелинейных искажений.

Мощные каскады работают при высоких уровнях сигнала, поэтому на форме сигнала сильно сказывается нелинейность ста­ тических характеристик.

В мощных усилительных каскадах используют все три схемы включения транзистора, причем схему с ОБ используют значи­ тельно чаще, чем в малосигнальных усилителях. Объясняется это тем, что выходные характеристики схемы с ОБ обладают значительно большей линейностью по сравнению с другими схе­ мами включения. К достоинствам схемы с ОБ следует отнести также более высокие допустимые напряжения коллектора по сравнению со схемой с ОЭ, т. е. на выходе схемы с ОБ можно получить большую амплитуду сигнала. Немаловажное значение имеет и большая тепловая стабильность каскадов с ОБ, по­ скольку стабилизация мощных каскадов сопротивлениями за­ труднена из-за больших потерь в цепях стабилизации.

Транзисторные мощные каскады, как и ламповые, могут быть однотактными и двухтактными. Транзисторы могут рабо­ тать в режиме класса А, когда рабочая точка находится в актив­ ной области, и класса В, когда рабочая точка лежит на границе между активной областью и областью отсечки. Для уменьше­ ния нелинейных искажений иногда используют класс AB, в кото­ ром рабочая точка смещается в активную область, но так, что напряжение Ек—Пк-сП к т , где UKm — максимальная амплитуда сигнала.

Для межкаскадной связи и связи с нагрузкой в мощных кас­ кадах применяют преимущественно трансформаторы, позволяю­ щие получить максимальное усиление по мощности при мини­ мальных потерях в элементах связи.

91

§ 7. 2. ОДНОТАКТНЫЕ КАСКАДЫ КЛАССА А

Схема выходного каскада, работающего в режиме класса А, приведена на рис. 7.1. На рис. 7.2 показано семейство коллек­ торных характеристик транзистора. Точка покоя А расположена на пересечении статической R и динамической jR„ линий на­ грузки. Сопротивление статической нагрузки определяется сопро­ тивлением постоянному току первичной обмотки трансформатора. Поскольку это сопротивление мало (часто его можно считать

равным нулю), линия статической нагрузки идет почти па-

амплитуде сигнала напряжение на коллекторе может в два раза превысить напряжение питания. Поэтому для трансформаторных каскадов с большим размахом амплитуды предельно допустимое напряжение коллектора должно более чем в два раза превы­ шать напряжение питания Ек.

Схема на рис. 7.1 принципиально ничем не отличается от трансформаторного каскада на рис. 5.1, а поэтому расчет ее па­ раметров (Ки и Кі) можно производить по формулам (4.25) и (4.28), использовав вместо малосигнальных усредненные пара­ метры, определенные непосредственно по статическим характери­ стикам транзистора.

92

Коэффициент полезного действия каскада, равный отношению эффективной мощности, выделяемой в нагрузке, к общей мощ­ ности, потребляемой от источника питания,

50% (это предельно возможный КПД для каскадов данного

поэтому транзисторы для трансформаторного каскада в классе А необходимо выбирать с предельно допустимой мощностью рас­ сеивания, не менее чем в два раза превышающей максимальную мощность в нагрузке.

Мощные выходные каскады вносят большие нелинейные иска­ жения сигнала. К основным причинам нелинейных искажений можно отнести следующие:

1)нелинейность входной характеристики;

2)уменьшение коэффициента усиления транзистора по току

сувеличением тока коллектора (эмиттера);

3)нелинейность выходных характеристик транзистора;

4)искажения, связанные с нелинейной зависимостью магнит­ ного потока от напряженности магнитного поля.

Значительные искажения могут возникать во входной цепи транзистора. Предположим, что на входе транзистора задано синусоидальное входное напряжение (рис. 7.3), источником которого служит генератор с низким сопротивлением. Тогда вход­ ной ток окажется сильно искаженным (нижняя полуволна будет сжата), эти искажения передадутся в выходную цепь, поскольку коллекторный ток пропорционален базовому.

Если во входную цепь транзистора подавать синусоидальный ток, источником которого служит генератор с высоким внутрен­ ним сопротивлением, то поскольку коллекторный ток пропорцио­ нален базовому, он будет тоже синусоидальным, несмотря на то, что входное напряжение будет искажено. Отсюда можно сде­ лать вывод, что с увеличением сопротивления генератора сиг­ нала нелинейные искажения уменьшаются за счет улучшения формы входного тока. Однако в мощном усилительном каскаде

сувеличением сопротивления генератора увеличиваются потери мощности во входной цепи и общее усиление снижается.

94

Уменьшение ß (или а) при возрастании тока коллектора при­ водит к нелинейности переходной характеристики и связанным с этим искажением (рис. 7.4). Следует отметить, что за счет

уменьшения ß искажается положительная полуволна, в то время как за счет нелинейности входной характеристики — отрица­ тельная.

§ 7. 3. ДВУХТАКТНЫЕ КАСКАДЫ КЛАССА В

На рис. 7.5 приведена схема двухтактного усилительного каскада, работающего в режиме класса В с трансформаторным входом и выходом. На рис. 7. 6 показаны статические характери­ стики такого транзистора. При отсутствии сигнала рабочая точка находится на пересечении нагрузочной прямой и характе­ ристики / б=0. Когда на вход транзистора поступает отрицатель­ ная полуволна (относительно эмиттера), транзистор откры­ вается и усиленный сигнал передается в нагрузку. При положи­ тельной полуволне транзистор запирается и в его коллекторной цепи протекает только тепловой ток. Таким образом, в классе В транзистор усиливает только одну полуволну сигнала, поэтому в этом режиме необходимы двухтактные схемы с двумя транзи­ сторами, на вход которых сигнал подается в противофазе.

В схеме на рис. 7.6 инверсия фазы осуществляется трансфор­ матором Три Когда на входе транзистора Тх отрицательная полу­ волна, он открыт и усиливает сигнал. В это время на входе тран­ зистора Г2 — положительная полуволна, и он заперт. В следую­ щую половину периода знак входного напряжения меняется,

95

и тогда транзистор Тх заперт, а транзистор Тч открыт и усили вает сигнал.

Два сигнала в противофазе можно получить с помощью различных фазоинверсных каскадов, собранных на транзисторах. Применение транзисторов с проводи­ мостью разного типа {р—п—р и п—р—п) позволяет обойтись без транс­ форматора и фазоинверсного каскада (рис. 7.7), поскольку транзистор типа р—п—р открывается, когда на его базу поступает отрицательная полуволна, а транзистор п—р—п-типа, когда по­ ложительная.

RH

Рассчитаем коэффициент полезного действия двухтактного усилителя класса В. Когда транзистор заперт, ток через него очень мал, поэтому можно считать, что мощность на нем практи­ чески не рассеивается. Когда транзистор открыт (для опреде­ ленности положим Т1 в схеме на рис. 7.6), то мгновенное напряже­

ние на нем

итХ—Е ик,

2Я„'

96

Мгновенная мощность, выделяющаяся в коллекторной цепи,

Р'т ={Е — ик)

ÄH'

Мощность, выделяющаяся в коллекторной цепи транзистора Ти

Мощность, рассеиваемая в транзисторе Гг, равна мощности, рассеиваемой на транзисторе Т\. Общая мощность, потребляемая от источника питания, равна сумме мощностей, рассеиваемых в транзисторах и в нагрузке:

Л = — ~ 7 8 % .

4

Максимальная мощность, рассеиваемая в транзисторе в уси­ лителе класса В, примерно в пять раз меньше максимальной мощности, выделяемой в нагрузке:

Р т.макс

( 7 . 14)

Р'

1 н.макс

что является одним из важных достоинств двухтактного усили­ теля. Если учесть, что в течение рабочего периода мощность в транзисторе рассеивается неравномерно, то для обеспечения надежной работы схемы при расчетах можно принять

( 7 . 1 5 )

Для двухтактного усилителя класса В уровень нелинейных искажений сильно возрастает при несимметрин схемы, т. е. когда параметры транзисторов в плечах схемы неодинаковы. Для улуч­ шения симметрии в цепь эмиттера или базы иногда включают небольшое сопротивление, нелинейные искажения при этом уменьшаются, однако одновременно снижаются коэффициент полезного действия и усиление каскада по мощности.

Г л а в а V I I I

РЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

§ 8. 1. ОСОБЕННОСТИ РЕЗОНАНСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Резонансными принято называть усилители с нагрузкой в виде настроенного LC контура или системы контуров. Частотная ха­ рактеристика резонансного усилителя неравномерна. Максималь­ ное усиление имеет место на резонансной частоте и уменьшается при отклонении от нее.

Основное применение резонансные усилители нашли в радио­ приемных устройствах. Вместе с тем они широко применяются и на низких частотах в различных измерительных схемах.

При проектировании и настройке узкополосных усилителей‘ одна из основных трудностей связана с устойчивостью усилителя. Стремление получить как можно более высокий коэффициент усиления может привести к самовозбуждению усилителя. В резо­ нансных усилителях наиболее отчетливо проявляется связь между коэффициентом усиления, полосой пропускания и стабиль­ ностью параметров усилителя. С ростом усиления, как правило, сужается полоса пропускания и ухудшается стабильность пара­ метров. Чем ближе находится усилитель к границе самовозбуж­ дения, тем сильнее на его характеристики влияют случайные изменения в элементах схемы. Поэтому при проектировании резонансных усилителей к элементам схемы предъявляются по­ вышенные требования.

Основными характеристиками резонансного усилителя яв­ ляются: область рабочих частот, коэффициент усиления и изби­

Избирательные свойства резонансного усилителя отобра­ жаются характеристиками, представляющими зависимость его коэффициента усиления по напряжению от значения абсолютной

(А/) или относительной — расстройки.

Следует отметить, что избирательные свойства колебатель­ ного контура могут быть полностью реализованы только при условии малого шунтирования контура элементами схемы.

99