Выходные и предвыходные каскады (лекция 5)

обеспечить при заданном сопротивлении нагрузки требуемый уровень сигнала (мощность) в нагрузке при допустимых линейных и нелинейных искажениях, а также возможно меньшем потреблением энергии от источника питания (максимальном КПД). В этом случае усилительный элемент (УЭ) должен обеспечить отдаваемую мощность

Усилительные элементы в ВКУ работают в режиме класса «А», «В» или в комбинационных режимах, например, «АB», «H».
Мощные избирательные усилители (в радиопередающих устройствах) могут работать в режиме «С», «Е» или их разновидностях.

(РТ) выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики (характеристики прямой передачи) усилительного элемента (УЭ). Этот режим чаще используются в предварительных каскадах усиления, а также в маломощных предвыходных и выходных каскадах при жестких требованиях к нелинейным искажениям в ВКУ. Максимально возможный КПД в режиме «А» составляет 50% (реальный – не более 30%).
В режиме класса «В» РТ выбирается при нулевом или очень малом напряжении смещения. Этот режим характеризуется высоким КПД (до 78,5%) и большими нелинейными искажениями, по сравнению с режимом класса «А». Для уменьшения искажений используются двухтактные схемы в классе «B», в которых используется не менее двух УЭ, работающих поочерёдно (для усиления положительного и отрицательного полупериодов).

с нагрузкой

На рисунке приведена схема однотактного усилителя мощности в режиме «А» с трансформаторной схемой связи с нагрузкой.

преимущества:
- позволяет заданное сопротивление нагрузки преобразовать к оптимальному значению, при котором УЭ отдает максимальную мощность в нагрузку;
- позволяет повысить КПД ВКУ, так как уменьшает потери в выходной цепи в связи с малым сопротивлением первичной обмотки трансформатора по постоянному току, и обеспечить максимальную отдаваемую мощность для заданного режима работы.

где RH= – сопротивление нагрузки по постоянному току: RH= = RЭ + r1 ≈ RЭ, так как r1<Кроме этого, при трансформаторной связи усилительного каскада с источником трансформатор позволяет обеспечить равенство сопротивления источника входному сопротивлению трансформатора (условие согласования), при котором максимизируется коэффициент передачи по мощности.

размеры, масса и стоимость;
- сравнительно узкая полоса рабочих частот;
- большие фазовые искажения, затрудняющие обеспечить большую глубину общей ООС (в связи с опасностью самовозбуждения усилителя);
невозможность выполнения усилителя по интегральной технологии.
Режим работы транзистора выбирается из следующих соображений:
1. Чтобы обеспечить получение заданной мощности в нагрузке (Рн), рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность в режиме класса «А» не должна быть меньше величины

где ηтр – КПД выходного трансформатора (0,8 – 0,95);

- коэффициент использования транзистора по напряжению;

- коэффициент использования транзистора по току.

принимают одинаковыми и не превышающими 0,7 для получения достаточно малых нелинейных искажений.
С другой стороны, Рк=Uк0iк0. Поэтому для любого напряжения на коллекторе ток коллектора не должен быть ниже величины

2. Напряжение на коллекторе Uкэ0 не должно быть слишком малым, то есть не должно выбираться вблизи области насыщения транзистора. Для большинства транзисторов, предназначенных для усиления сигналов, Uкэ.нас не превышает (0,5 ÷ 2) В. Поэтому Uкэ0 мин должно быть не менее (1,5÷3)Uкэ.нас (с учетом запаса на нестабильность рабочей точки). С другой стороны, максимальное значение Uкэ0макс не должно превышать (0,7 ÷ 0,8)Еп, поскольку часть выходного напряжения будет падать на сопротивлении Rэ, которое выполняет функцию стабилизации постоянного коллекторного тока.

не должен быть слишком малым. Для маломощных транзисторов при iк0 < 2мА усилительные свойства транзистора резко снижаются. С другой стороны, iк0 не должно приближаться к максимально допустимому значению коллекторного тока (iк0доп), заданному в справочнике для данного транзистора. С учетом амплитуды переменной составляющей iк0 макс < 0,45 iк0доп.
4. При любом напряжении на переходе к–э рассеиваемая на транзисторе мощность Рк=Uкэ0iк0 не должна превышать значение максимально допустимой мощности Ркмакс, заданной в справочнике для данного транзистора.
5. Нагрузочная прямая по постоянному току не должна пересекать линию Ркмакс, поскольку, учитывая дестабилизирующие факторы, рабочая точка может сместиться в область, ограниченную линией Ркмакс, что приведет к перегреву и выходу транзистора из строя. При выбранном Uкэ0 ток коллектора в рабочей точке не должен превышать значение

выбрана в области, ограниченной условиями 1–5, как показано на рисунке.

Область выбора рабочей точки транзистора

Pк, поскольку при больших токах возрастает рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность, что приведет к повышению температуры p-n перехода (саморазогреву транзистора), а следовательно к большей нестабильности режима работы.
При использовании БТ для получения малых нелинейных искажений коэффициент использования ξ = ψ = 0,5 … 0,7.
Максимальная отдаваемая мощность транзистора обеспечивается при оптимальной нагрузке:

Поскольку входное сопротивление трансформатора равно:

для чего используются входные и выходные статические характеристики транзистора и строятся выходные динамические характеристики (нагрузочные прямые), под которыми понимается зависимость выходного тока транзистора от напряжения при заданной нагрузке. Поскольку цепи выходного постоянного и переменного тока (и, следовательно, сопротивления цепей) разные, то различают нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.
Нагрузочная прямая (выходная динамическая характеристика) по постоянному току, необходимая для расчета элементов, обеспечивающих режим работы транзистора, строится в соответствие с уравнением Кирхгофа для выходной цепи (по которой проходит постоянная составляющая выходного тока):

где RH= =RЭ +RК – для резисторного каскада с эмиттерной стабилизацией;
RH==RЭ+r1≈RЭ – для трансформаторных ВКУ с эмиттерной стабилизацией, так как сопротивление первичной обмотки трансформатора r1 очень небольшое.

по двум точкам:

При iк=0, Uкэ=Еп;
При Uкэ=0, i'к=Еп/RH=.

Динамическая характеристика по переменному току связывает мгновенные значения тока и напряжения при усилении сигнала. Для построения нагрузочной прямой на оси напряжений откладывается точка

Тогда нагрузочная прямая пройдет через точку (iк=0, Uкэ=U’кэ) и рабочую точку (iк=iк0, Uкэ=Uкэ0), как показано на рисунке.

идёт нагрузочная прямая. Следует иметь в виду, что в резисторных каскадах нагрузочная прямая по переменному току всегда круче, чем по постоянному току, так как
Rн==Rк+RЭ всегда больше, чем

Для трансформаторных каскадов положение динамической характеристики зависит не только от RK~ , но и от коэффициента трансформации. В этом случае U’кэ может даже превысить Еп за счет самоиндукции трансформатора.
Динамическая характеристика по переменному току позволяет определить ряд параметров усилительного каскада (амплитуды входных и выходных токов и напряжений, отдаваемую усилительным элементом мощность, КПД, коэффициенты усиления).
На рисунке показана оптимальная динамическая характеристика по переменному току и треугольники мощности.

строится для оптимального сопротивления, которое при выбранном режиме работы.
Отдаваемая усилительным элементом мощность равна:

Амплитуды выходных токов и напряжений, а также входного переменного тока, можно определить графически по выходным статическим характеристикам и треугольникам мощности для крайних точек (а, б) изменения сигнала:

Амплитуда входного напряжения определяется по входной динамической характеристике (которая совпадает со статической при Uкэ>0) и крайним точкам изменения тока базы (рисунок):

усиления по току, напряжению и мощности

входное сопротивление транзистора

а также коэффициент полезного действия усилительного элемента

возможно более полного использования статических и динамических характеристик, в этих каскадах могут возникать заметные нелинейные искажения из-за влияния нелинейности характеристик транзисторов. Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник Кг) определяется графоаналитическим методом с применением метода пяти ординат по сквозной динамической характеристике iк(е′ист), где
е′ист = iбR′ист + Uбэ,

нагрузочная характеристика по переменному току. Значения токов коллектора определяются в точках пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками транзистора (для различных токов базы), как показано на рисунке. На характеристике отмечено 9 точек пересечения.

Определение токов коллектора и базы для построения сквозной динамической характеристики

отмеченных точек пересечения определяются токи коллектора и соответствующие значения токов базы. Достаточно взять 5 – 7 точек.
2. По входной статической характеристике для найденных токов базы определяются соответствующие значения напряжения Uбэ.
3. С учетом эквивалентного сопротивления источника R′ист определяются соответствующие значения е′ист и строится искомая характеристика.
4. По оси абсцисс интервал между е′ист мин и е′ист макс делится на четыре равные части и находятся токи iкмакс, i1, iк0, i2, iкмин .

амплитуды выходного тока основной частоты (Im1), амплитуды гармоник (Im2, Im3, Im4) и среднее значение выходного тока (iср):

выполняться равенство:

Коэффициент гармоник выходного каскада будет определяться по формуле:

«В», целесообразно применять в случае, если нагрузка близка к оптимальной. Эти усилители широко используются в аппаратуре радиосвязи и радиовещания, поскольку позволяют обеспечить достаточно высокую мощность (до 200 Вт) при высокой стабильности параметров и динамическом диапазоне, малых искажениях, габаритах, весе и стоимости. Очень часто бестрансформаторные выходные каскады строятся по двухтактной схеме на биполярных или полевых комплементарных или квазикомплементарных (составных) транзисторах. Поскольку режим В предполагает ток покоя равный нулю, то двухтактные выходные каскады в этом режиме применяются в составе интегральных микросхем (операционные усилителя, схемы аналоговой и смешанной (аналого-цифровой и цифро-аналоговой) обработки сигналов. *Комплементарные транзисторы – это пара транзисторов с одинаковыми (насколько это возможно сделать технологически) характеристиками, но с разным типом проводимости.

из двухтактного выходного и однотактного предвыходного каскадов усиления. Выходной каскад построен на комплементарных биполярных транзисторах VT2, VT3, работающих в режиме «В» и двумя источниками питания.

двуполярным источником питания

с одним источником питания

с одним источником питания

одним источником питания