нику питания, то статическая нагрузочная прямая пойдет практически вертикально (сопротивлением обмотки постоянному току / обм пренебрегаем). Следовательно, можно считать, что UkqE, При подаче входного сигнала с частотой, лежащей в пределах полосы пропускания усилителя, сопротивление в коллекторной цепи транзистора будет определяться приведенным к первичной обмотке (без учета потерь в трансформаторе) сопротивлением нагрузки усилителя /?н'=/?н/л^тр, где /гтр = со2/со1 - коэффициент трансфор-мации; coi, сог - число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Статическая пиния нагрузки

Рис. З.И

Тогда линия нагрузки по переменному току будет отсекать на оси абсцисс (рис, 3.11) отрезок {] . шах, а на оси ординат - отрезок

/к max = fK тах ?н'.

Максимальное напряжение на коллекторе транзистора получается больше напряжения источника питания, что объясняется свойством трансформатора записать электромагнитную энергию.

Поэтому при работе усилителя с выходным трансформатором тип транзистора следует выбирать, учитывая соотношение {/кдоп

Максимальный КПД каскада определяется из выражения (3.9), т, е.

Д1аксимальная амплитуда выходного напряжения С/выхт (Ukm) может лишь приближаться к значению £ , на практике оставаясь всегда меньше £к, так как ограничивается допустимыми нелинейными искажениями. Таким образом, КПД усилителя мощности (рис. 3.10), работающего в режиме класса, выше КПД каскада ОЭ с резистором в коллекторной цепи, однако не превышает 50%. Значение

близкое к 50%, можно получить, выбрав оптимальное приведенное сопротивление нагрузки Raom- Тогда hm-ho, UnmrnEy,.

Если Rn>Rnom, то имеем неполное использование тока коллектора /кт</ко, так как динамическая нагрузочная прямая пойдет положе, чем соответствующая Rom. При малых значениях /?/< </?нопт динамическая нагрузочная прямая проходит круто к оси абсцисс по сравнению с прямой, соответствующей R-bout- Тогда максимальная амплитуда напряжения С/выхт<£к (рис. 3.11).

Поскольку сопротивление нагрузки R определяется назначением усилителя и бывает задано, коэффициент трансформации выходного трансформатора, при котором выполняется согласование Rn, и выходного сопротивления каскада следует рассчитывать по формуле

При выбранных £ к и / о

Няот-EJ {21 Q) = EJIy,

тогда

Максимальное значение мощности в нагрузке ограничивается мощностью рассеивания на коллекторе транзистора, которая определяется по формуле

P.=Po-P...=Po-P.h.r (ЗЛО)

где Т1тр - КПД трансформатора.

Очевидно, максимальная мощность На коллекторе рассеивается в режиме покоя при /н=0, т. е.

Р.г...=Ро- (3.11)

Так как Ро = Рвых/у], то выражение (3.11) можно Записать как

P.n...=P...h (3.12)

или

Рвых РктлхЧ

Т. е. заданное значение мощности в нагрузке не должно превышать Максимального значения мощности, рассеиваемой на коллекторе Транзистора, умноженного на КПД усилителя.

Положив, что Рктах соответствует допустимому значению мощ. ности, рассеиваемой на коллекторе Ркдоп, на основании (3.12) получим условие надежной работы транзистора

Ритах <трРкдоп. (3.13)

Мощность Ркдоп - табличная величина, определяемая по справочникам.

Режим класса В. При работе транзистора в режиме класса В постоянное напряжение смещения Его на базе транзистора отсутствует и рабочая точка покоя О лежит в области небольших токов коллектора /ко, которыми в случае кремниевых транзисторов, можно пренебречь.

Рис. 3.12

Рис. 3.13

Поэтому в режиме класса В ток через усилительный элемент при действии переменного входного сигнала протекает только в течение половины периода, т. е. усилительный элемент работает с отсечкой тока (рис. 3.12). Угол, соответствующий половине временного интервала, в течение которого ток протекает через усилительный элемент, называется углом отсечки тока 9. Следовательно, в режиме класса В угол отсечки составляет 90°.

Каскады, представленные на рис. 3.2, 3.10, называются однотакт-ными, т. е. выходной сигнал формируется с помощью одного усилительного элемента. В однотактных схемах при работе с отсечкой тока выходной сигнал резко отличается по форме от синусоидального входного сигнала (рис. 3.12), возникают большие нелинейные искажения. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала и уменьшения нелинейных искажений используются двухтактные схемы, состоящие из двух однотактных каскадов (плеч), объединенных таким образом, чтобы за время, равное периоду входного сигнала, транзисторы, имеющие общую нагрузку R, работали поочередно в течение одного полупериода.

Такая работа транзисторов схемы обеспечивается при £то=0 путем подачи на их базы одновременно двух равных по амплитуде,

но сдвинутых по фазе на 180° друг относительно друга напряжений, которые называются парафазными. В двухтактной схеме усилителя мощности, представленной на рис. 3.13 эти напряжения получаются с помощью входного трансформатора со средней точкой.

Работу двухтактного каскада усиления мощности в режиме класса В можно проиллюстрировать с помощью рис. 3.14. В отсутствие входного сигнала оба транзистора закрыты и можно считать, что 70 л* О, г/ко Як. При поступлении входного iKit

сигнала в течение по- г\-i-к Ru лупериода работает один из транзистороа Рабочая точка перемещается по динамической нагрузочной прямой, которая имеет угол наклона к оси абсцисс, соответствующий пересчитанному к одному плечу сопротивлению нагрузки

где

Рнс. 3.14 - коэффициент трансформации, 0)21, (022 - число витков первичной и вторичной обмоток выходного трансформатора.

Так как коллекторные токи транзисторов сдвинуты друг относительно друга на 180°, то форма тока и напряжения нагрузки получается близкой к синусоидальной. Тогда выходная мощность двухтактного каскада, как и для однотактного, будет определяться выражением

вых-кэф'к9ф- 2 к К'

(3.14)

Мощность, потребляемая от источника питания обоими транзисторами,

Яо = 2£,(/ р + /,о)2£Лср. (3.15)

Де /кср=/к/л - среднее значение коллекторного тока одного транзистора за период выходного сигнала.

Следовательно, КПД двухтактного каскада определяется формулой

вых

(3.16) 47

при отдаче в нагрузку максимальной мощности Рвыхтах~

хикткт полностью используются коллскторный ТОК транзисторов и напряжение источника питания. Тогда максимальное значение КПД двухтактного каскада в режиме класса В близко к 78%, что в 1,5 раза больше максимального значения КПД однотактного каскада в режиме класса А.

Нелинейные искажения в двухтактном каскаде оценивают по третьей гармонике /кз выходного тока. Вторые гармоники коллекторных токов транзисторов сдвинуты друг относительно друга на 360° и компенсируются на выходе, так как ток нагрузки определяется разностью коллекторных токов.

Таким образом, для двухтактного каскада

(3.17)

Количественная оценка нелинейных искажений в двухтактном каскаде производится, так же, как и в однотактном, способом трех или пяти ординат построением сквозной характеристики, представляющей для двухтактного каскада зависимость коллекторного тока одного транзистора от амплитуды входного напряжения, пересчитанного к одному плечу вторичной обмотки входного трансформатора

где Лтр1 = 12/0)11 - коэффициент трансформации входного трансформатора.

При построении сквозной характеристики необходимо пользоваться пересчитанным к обмотке (012 внутренним сопротивлением источника входного сигнала

/?;=(re,pi/2)2/?,.

Активными сопротивлениями первичной обмотки и половины вторичной обмотки входного трансформатора можно пренебречь.

Определив по построенной сквозной характеристике (рис. 3.15) токи /кт, /1, соответствующие значениям Е'гт и Е'тт/., найдем

/кг = (2/3)(/. + Л), (3.18)

/,3 = (l/3)(/, -2/i).

Подставив выражения для /ki и /кз из (3.18) в формулу (3.17), Получим

К= (1/2) , (3.19)

С помощью формулы (3.19) рассчитывать Кт с большой степенью-точности можно лишь при условии подбора транзистордв с одина^*

ковыми параметрами. Если параметры транзисторов имеют большой разброс, то четные гармоники компенсируются не полностью. Поэтому в схеме с неподобранными транзисторами коэффициент гармоник, рассчитанный по (3.19), следует увеличить в 1,5-1,8 паза. Нелинейные искажения в режиме класса В (порядка 10%) выше, чем в режиме класса А, так как используется весь рабочий диапазон токов и напряжений транзистора. Особенно сильно искажается форма выходного напряжения в области малых значений (рис. 3.16), что объясняется нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора. Действительно, для появления тока базы надо подать входное напряжение Обо большее порогового напряжения f/бэпор (рис. 3.17).

Режим класса АВ. Чтобы исключить искажения выходного сигнала в области малых значений в двухтактных усилителях мощности, применяют режим класса АВ, когда на базу транзисторов подается небольшое напряжение смещения Ueo, при котором рабочая точка занимает начальное положение О в нелинейной области входных характеристик, но через транзисторы в отсутствие входного сигнала протекает небольшой ток /бо= (0,05-0,15)/бт (рис. 3.17). При этом КПД схемы практически не изменяется по сравнению с классическим режимом класса В, но нелинейные искажения уменьшаются в несколько раз.

выл

Рис. 3.15

Рис. 3.16

Рис. 3.17

Режим класса С. Если подается напряжение смещения, запирающее усилительный элемент, то такой режим называется режимом Класса С. Угол отсечки тока в режиме класса С меньше я/2. Нели* иеиные искажения выше, а КПД больше, чем р режиме класса В.

Режим класса С применяется в основном в схемах резонансных уси-лителей, где нелинейные искажения, возникающие в результате отсечки тока, устраняются резонансным нагрузочным контуром настроенным на частоту входного сигнала.

В коммутационных схемах используется режим работы усилительного элемента класса Д (режим ДА-НЕТ), когда выходной ток периодически изменяется от нуля до максимального значения.

Классификация режимов работы полевого транзистора в схеме усилительного каскада осуществляется по тем же критериям, что и для биполярного транзистора. Режимы работы полевого транзистора определяются выбором рабочей точки покоя О на входной характеристике путем подачи постоянного напряжения смещения на вход каскада. Например, для схемы ОИ в режиме класса А напряжение смещения £30 соответствует рабочей точке покоя О, лежащей в середине линейного участка входной характеристики 1с=/( зи), в режиме класса В напряжение смещения близко к на-пряжению отсечки тока транзистора.

Вопросы и задачи для самопроверки

1. Как выбирают рабочую точку покоя каскада при работе усилительного алемента в режимах классов А; В; АВ; С? Чему равен угол отсечки тока для каждого из перечисленных режимов?

2. Почему при работе усилительного элемента с отсечкой тока обычно используют двухтактные схемы? Пояснить принцип работы двухтактной схемы

3. Определить амплитуду максимально возможного выходного напряжения усилителя мощности, работающего в режиме класса А, и двухтактного усилителя, работающего в режиме класса В Напряжение источника питания 20 В.

4. Определить амплитуду максимально возможного синусоидального напряжения на входе усилителя (рис. 3 2, а), прн котором схема работает в режиме класса А без отсечки выходного напряжения. Коэффициент усиления /Си= 10. Напряжение источника питания 20 В Нел(й1ейные искажения можно не учитывать.

Ответ. С;вхтах=1 В.

5. Сравнить максимальный коэффициент полезного действия однотактного каскада, работающего в режиме класса А, и двухтактного, работающего в режиме В.

ГЛАВА 4

ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ТРАНЗИСТОРАХ

§ 4.1. Каскад с общим эмиттером

Простейшая приннципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 4.1, а. Режим по постоянному току класса А создается в схеме с помощью базового резистора R, подключенного к шине источника питания. Тогда ток базы в отсутствие входного сигнала, обеспечивающий заданное положение

рабочей точки покоя О на нагрузочной прямой выходной характеристики транзистора, определяется из формулы

/бО=(£ к-/бэ0) ?-

Ток покоя коллектора

/кО = (к-кэо) ?к-

Разделительные конденсаторы Cpi и Ср2 осуществляют развязку каскада по постоянному току от генератора входного сигнала и нагрузки, так как не пропу-

h:z>-o-II-

I--о-

-о---,

екают постоянную составляющую любого сигнала. Таким образом, в отсутствие входного сигнала напряжение на базе Ue-UeBo не зависит от величины постоянной составляющей генератора Его, а напряжение на нагрузке Uh равно нулю, хотя напряжение на коллекторе Uk=Uk30.

Емкости разделительных конденсаторов выбирают такими, чтобы в рабочем диапазоне частот (в области полосы пропускания) конденсаторы не оказывали заметного влияния на прохождение переменной составляющей сигнала. Для этого положим, что емкостные сопротивления конденсаторов

на самой низкой частоте полосы пропускания близки к нулю. Тогда принципиальной схеме рис. 4.1, а для переменного сигнала соответствует эквивалентная схема, представленная на рис. 4.1, б, где транзистор заменен Т-образной эквивалентной схемой; Л21э1б - генератор тока в коллекторной цепи транзистора; /121э = гк/1б = /к б^ коэффициент усиления тока транзистора в схеме каскада с общим эмиттером, который в области средних частот является действительной величиной, т. е. не зависит от частоты; Гб - омическое сопротивление базы, Гэ = эб/Лэ~0,025 э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, В/мА; Гк* = Гк/(1+/121э) и Гк = - duK/diK - дифференциальные сопротивления коллекторных переходов в схеме с общим эмиттером и с общей базой, определяемые из справочника.

Величина к2\з является основным параметром, определяющим Усилительные свойства биполярного транзистора, и обычно приводится в справочниках. Обозначение соответствует представлению

транзистора в виде четырехполюсника с произвольной внутренней структурой (рис. 4.2). Такое представление удобно при измерении параметров транзистора со стороны внешних зажимов, так как внутренняя базовая точка Б' в Т-образной эквивалентной схеме недо-ступна для подключения измерительных приборов.

Для определения параметров четырехполюсника обычно используется система Л-параметров, в которой измерение параметров по переменному току производится при разомкнутом входе (режим холостого хода) и при замкнутом выходе.

В этом случае система уравнений четырехполюсника имеет вид

(4.1)

вых -2ibx + 22bhx

где Ли - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе; fti2 - коэффициент обратной передачи напряжения при холостом ходе на входе; /j2i -коэффициент прямой передачи (усиления) тока при коротком замыкании на выходе; Агг - выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Очевидно, для транзистора, включенного по схеме каскада ОЭ, в системе уравнений (4.1) можно записать

б9=Л11э/б-1-Л129 кЭ

к =21so+Л229Кк9-

Для расчета параметров каскада ОЭ воспользуемся Т-образной эквивалентной схемой с учетом обозначений в системе Л-пара-метров.

Если выполняется условие Гк*Як, сопротивлением Гк* можно пренебречь, в остальных случаях пользуются эквивалентным коэффициентом усиления по току транзистора в схеме каскада ОЭ

21э0 - 21э

Входное сопротивление каскада ОЭ

/?вхэ=Л„з=-=-7. ; (4.2)

вх вх

Переменный входной ток Ibx состоит из двух составляющих: базового тока транзистора t6 и тока i, протекающего через резистор R.

Обычно сопротивление резистора R таково, что выполняется соотношение 1б>Хл.

пренебрегая током t>, можно записать

All3 = a./i6- (4-3)

Входное напряжение Ubx (рис. 4.1, б) складывается из падений дапряжения на сопротивлениях Гб и Гэ и определяется выражением

так как через сопротивление Гб протекает ток /б, а через г, - сумма

токов 1б + 1к = 1б(Ц-Л21э).

вых

Рис. 4.3

Рнс. 4.4

Следовательно,

ii3=-6+-9(l+A2u)-

(4.4)

Параметры маломощных транзисторов, входящие в формулу (4.4), составляют Гб = 100...130 Ом; Гэ=2...20 Ом; /1213=20... 150, поэтому входное сопротивление каскада с общим эмиттером - 150-З-Ю^ Ом.

Если учитывать ток через резистор R, то входное сопротивление каскада снижается:

hiu==R\\hn,-=RhiJ(R + hn.). (4.5)

Выходное сопротивление каскада ОЭ определим, подав на выходные зажимы переменное напряжение вых при разомкнутом нагрузочном резисторе /?н и нулевом входном сигнале (рис. 4.3). Если считать, что доля тока коллектора, ответвляющаяся в цепь базы, ничтожно мала, т. е.

то выходной ток распределяется по двум параллельным цепям, одна из которых содержит резистор Як, а другая Гк* и Гэ (рис. 4.3). Таким образом, учитывая, что Гк*>Гэ, получим

выхэ- 1/223- г^вых/вых -к|к'

Если условие (4.6) не выполняется, то

/?вы>.=/-к(1+Л219Уб)1-к.

(4.7)

(4.8) 53