Размещено на http://www.allbest.ru/

Двухтактные выходные каскады

1. Резисторные двухтактные усилители напряжения

Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента, работающих в противофазе на общую нагрузку, рис.10.1.

Рис. 10.1 Резисторный двухтактный усилитель

Резисторные двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада, которые называются плечами и работают в противофазе. Плечи двухтактного усилителя объединены общим проводом и источником питания. В отличие от однотактных усилителей двухтактные усилители имеют симметричный вход, т.е. на вход двухтактного усилителя подается симметричный усиливаемый сигнал (двухфазное напряжение, сдвинутое по фазе на 180 и имеющее равные амплитуды). Следовательно, между однотактным предварительным усилителем и двухтактным выходным каскадом должно быть предусмотрено устройство, преобразующее несимметричное однофазное напряжение в симметричное. Схемы такого назначения называют фазоинверсными.

Так как плечи двухтактной схемы работают в противофазе, то в режиме А одинаковые по величине и противоположные по направлению токи сигнала в общем проводе эмиттеров компенсируются. Поэтому R_э не нуждается в шунтировании конденсатором С_э.

2. Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Двухтактные транзисторные каскады находят самое широкое применение в усилителях мощности. Рассмотрим принципиальную схему двухтактного трансформаторного усилителя мощности, рис.10.2

В отличие от резисторного каскада трансформаторное включение позволяет объединить нагрузку плеч. Из-за большого разброса параметров каскады с общей эмиттерной стабилизацией R₅ получается ассиметрия плеч. Поэтому для симметрирования плеч в цепи эмиттеров каждого транзистора обычно включают подстроечные небольшие резисторы R_э1 и R_э2.

Рис. 10.2 Двухтактный трансформатор усилителя мощности

В качестве фазоинверсной схемы на входе двухтактного усилителя мощности может быть использован трансформатор с заземленной средней точкой во вторичной обмотке. В этом случае принципиальная схема двухтактного усилителя имеет следующий вид, рис.10.3.

Рис. 3 Выходной каскад с согласующим трансформатором

В этой схеме используется два трансформатора: Тр.1 - согласующий, Тр.2 - выходной. Применение согласующего трансформатора позволяет объединить делители для подачи смещения. В режиме В использование эмиттерной стабилизации приводит к дополнительным нелинейным искажениям, поэтому в этой схеме используется температурная стабилизация.

3. Работа двухтактного каскада в режиме В

Основным достоинством двухтактного каскада является возможность использования экономичного режима В без заметных нелинейных искажений. Последнее объясняется свойством двухтактной схемы компенсировать четные гармоники. Если двухтактный каскад выполнен на однотипных усилительных элементах, то их возбуждение ведется от источника двухфазного (0° и 180°) напряжения, получаемого от фазоинверсного каскада или трансформатора, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки, соединенной с общим проводом.

Если в рассматриваемый момент времени полярность U_вх1 отрицательная, то V₁ открывается, следовательно коллекторный ток возрастает на некоторую величину , в то время как коллекторный ток второго транзистора уменьшается , так как фазы U_вх1 и U_вх2 отличаются на 180°.

Первичная обмотка выходного трансформатора наматывается в одну сторону и от ее середины делается отвод. Через первичную обмотку протекают следующие токи: - полный коллекторный ток первого транзистора (рис.10.4.1) и полный коллекторный ток второго транзистора (рис.10.4.2).

Магнитное действие токов и взаимно противоположны, т.к. они протекают в противоположных направлениях. Поэтому результирующее значение магнитодвижущей силы пропорционально разности:

. (10.1)

Разность полных токов удобно рассматривать как некоторый эквивалентный намагничивающий ток , (рис.10.4.3.) и представлять как сумму двух составляющих: постоянной и переменной .

Если динамические характеристики совпадают, то ; , .

В момент покоя коллекторные токи транзисторов создают магнитные статические поля, равные и взаимно противоположные по направлению, в результате чего постоянное магнитостатическое поле в сердечнике выходного трансформатора отсутствует. Это является важным преимуществом, так как при этом увеличиваетя индуктивность первичной обмотки, вследсвии чего уменьшается коэффициент и уровень нелинейных искажений, создаваемых самим трансформатором. Все это позволяет снизить массу и габаритные размеры трансформатора. Другим преимуществом является отсутствие четных гармоник и связанных с ними комбинационных частот:

В соответствии с последним выражением разностный ток не содержит четных гармоник, что уменьшает коэффициент нелинейных искажений.

В двухтактных усилителях потребляемый ток I_кср=2i_кmax/ зависит от амплитуды сигнала, рис.10.4.4. При малых амплитудах или отсутствии сигнала I_кср0. Следовательно, потребляемая мощность незначительна. Вследствие чего двухтактный усилитель мощности по сравнению с однотактным имеет высокую эффективность и экономичность (напомним, что в режиме А потребляемая мощность от амплитуды сигнала не зависит). Поэтому двухтактные каскады в режиме В применяются в аппаратуре с аккумуляторным питанием при любой мощности выходного сигнала.

Рис. 10.4 Графики токов в двухтактном каскаде

Наконец, к числу преимуществ двухтактного каскада следует отнести то обстоятельство, что общий потребляемый ток, протекающий через источник питания, не содержит составляющие основной частоты. Переменные составляющие токов i_к~ и i_к~ взаимно компенсируются. Отсутствие в цепи источника питания основной частоты позволяет исключить шунтирующую емкость С_э и уменьшить емкость развязывающего фильтра C_ф. Следует отметить, что указанные преимущества в полной мере реализуются только при симметрии плеч.

В двухтактной трансформаторной схеме в режиме класса "В" без исходного смещения характерны искажения типа «ступеньки» (рис.10.5.).

Рис. 10.5 Искажения типа ступеньки

Для уменьшения этих искажений на базы транзисторов подается небольшое напряжение смещения, равное абсциссе точки пересечения касательной, проведенной через точку, расположенную на прямолинейной части характеристики, с осью абсцисс, рис.10.6.

Рис. 10.6 Сопряжение проходных характеристик транзисторов в двухтактном усилителе с исходным смещением и диаграмма тока

транзисторный каскад мощность усилитель

4. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

Анализ усилителя мощности из-за больших амплитуд сигналов проводят графоаналитическим методом с построением нагрузочных прямых, рис.10.7.

Рис. 10.7 Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

Поскольку транзисторы работают поочередно, то анализ и расчет двухтактного каскада можно произвести для одного плеча. Графическим методом определяем амплитуды выходного тока и выходного напряжения: . Колебательная мощность, получаемая от обоих транзисторов

Потребляемая мощность от источника питания определяется выражением:

, где I_кср=2i_выхmax/

Коэффициент полезного действия можно выразить:

где - коэффициент использования транзистора по напряжению.

При максимальное значение КПД _max=0,785.

Коэффициент использования транзисторов обычно , следовательно, практически достижимое значение КПД примерно равно 0,7.

Мощность рассеяния на коллекторе каждого транзистора определяется выражением:

P_к=(P₀-P_~)/2.

Максимальное значение мощности в режиме В достигает . Из последнего выражения можно сделать вывод, что двухтактный трансформатор ный усилитель мощности значительно снижает мощность рассеяния на транзисторе. В режиме А рассеиваемая мощность определяется

.

Последние соотношения показывают, что двухтактные усилители в режиме В имеют высокую экономичность и эффективность.

5. Фазоинверсные схемы

При использовании двухтактной схемы усилительного каскада на управляющие электроды необходимо подавать равные по величине и противофазные напряжения сигнала. Это создает некоторые затруднения, так как предшествующий однотактный каскад дает однофазное напряжение. Простейшим устройством, преобразующим несимметричные сигналы в симметричный, является трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Однако трансформаторы имеют большие габориты вес и дополнительные нелинейные искажения. Это приводит к необходимости заменять трансформаторы специальными схемами усилителей на сопротивлениях, которые дают на выходе равные и противофазные напряжения. Такие схемы назваются фазоинверсными.

Наиболее широко применяется фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой, рис.10.8.

Рис. 10.8 Фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой

В этих схемах выходные напряжения получаются равными по величине и противофазными относительно общей точки. Приведенные фазоинверсные схемы просты, но имеют малый коэффициент усиления и асимметрию плеч за счет отрицательной обратной связи.

Наилучшие показатели имеют фазоинверсные схемы с эмиттерной связью.

В инверсном каскаде с эмиттерной связью(рис.10.9) используются два усилительных элемента. Входное напряжение поступает на базу транзистора V1, включенного с общим эмиттером. Отрицательная полярность приоткрывает V₁. Переменная составляющая тока i_выхv1 протекая через R_э и R_н' создает на них падения напряжений U_вхv2 и U_вых1 с указанными полярностями. На транзистор V2, включенный с общей базой (так как его база соединена с общим проводом блокировочным конденсатором ), подается сигнал противоположной полярности с резистора эмиттерной связи . Транзистор V₂ призакрывается, это означает, что переменная составляющие тока i_выхv2 протекает в противоположном направлении. При этом на R_н^” происходит падение напряжения с указанной полярностью (рис.10.9).

Рис. 10.9 Фазоинверсная схема с эмиттерной связью

Частотная и переходная характеристики каскадов с эмиттерной связью практически не отличаются от характеристик резистивного усилителя, а поэтому расчет элементов каскада, а также вносимых им частотных и переходных искажений производят по формулам резисторного каскада.

Размещено на Allbest.ru