Файл: Лабораторная работа 6 двухтактный бестрансформаторный.docx

Двухтактные выходные каскады

Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента (иногда две группы параллельно соединенных АЭ), работающих на общую нагрузку, а фазы выходных токов которых, противоположны. Отдельно взятый АЭ, с цепями связи и питания, обра- зует плечо двухтактного каскада.

В зависимости от способа управления АЭ двухтактные каскады подразделяются на кас- кады:

• 
  с параллельным управлением однофазным входным напряжением (при использовании в качестве АЭ БТ применяют транзисторы с разным типом проводимости, работающие в режиме В или АВ)
  
• 
  с параллельным управлением двухфазным напряжением (применяют однотипные БТ, ра- ботающие в режиме А или АВ)
  
• 
  с последовательнымуправлениемоднофазнымнапряжением (применяют однотипные БТ, работающие в режиме А, когда сигнал с выхода первого из них, подается на вход вто- рого).
  

Благодаря отличию фаз выходных токов на π происходит частичная компенсация нели- нейных искажений, вносимых плечами. Использование режима А в выходных каскадах обеспечивает очень малые нелинейные искажения, меньшие чем в однотактной схеме.

Транзисторные схемы двухтактных оконечных каскадов, использующих выходной трансформатор, могут выполняться с резисторно-емкостной или с трансформаторной свя- зью с предоконечным каскадом (рис.6.40)

Рис.6.40

Резисторы R1 и R2 – делитель напряжения питания, обеспечивающий смещение на оба транзистора VT1 и VT2и задающий ток коллектора каждого транзистора I _к0 в исходной рабочей точке. Резистор R3 — сопротивление эмиттерной температурной стабилизации. Для выравнивания коллекторных токов плеч вместе с резистором R3 могут быть дополни- тельно включены резисторы в эмиттерные цепи каждого транзистора. При работе усили- тельных элементов в режиме В резисторы в цепях эмиттеров отсутствуют. Входные на- пряжения u _вх1 и u _вх2 равны по величине и противоположны по фазе. Трансформатор Т1 обеспечивает получение противофазного напряжения, необходимого для возбуждения оконечного каскада, т.е. является фазоинверсным звеном. При открывании одного транзи- стора другой закрывается, т.е. транзисторы работают поочередно, создавая токи коллекто- ров i_к2 и i_к3 . Эти токи протекая через первичную обмотку трансформатора Т2 индуциру- ют во вторичной обмотке токи, протекающие через нагрузку во встречных направлениях. Нагрузка R_н подключена к транзисторам через выходной трансформатор со средней точ- кой в первичной обмотке.

Для трансформатора Т со средней точкой мгновенные напряжения на входе каждой из плеч при косинусоидальном входном сигнале можно представить

u _{вх1 =} U _mвхcos ωt; (6.9)

u _{вх2 =} U _mвхcos (ωt+π) = — U _mвхcos ωt. (6.10)

Ток i_к2 в коллекторной цепи транзистора VT2 под действием напряжения u _вх1 вне зави- симости от режима работы транзистора (А, В, АВ) можно представить разложением в ряд Фурье

i_к2  I_ср  I_m1 cost I_m2 cos 2t I_m3 cos3t ..... , (6.11)

где I _ср — среднее значение коллекторного тока, I _m1, I _m2, I _m3, …- амплитуды соответ- ствующих гармоник коллекторного тока (полагая начальные фазы равными нулю). Кол-



а) б)

Рис.6.41
Во второй полупериод он заперт и ток питания не потребляет. В этот полупериод работа- ет другой транзистор. Нагрузочная прямая транзистора одного плеча выходит из исходной РТ А, в которой i_к = 0, U _к = E. Ее наклон определяется сопротивлением нагрузки по пе- ременному току R_{н к}. Для схемы (рис.6.40) его величина определяется значением сопро- тивления нагрузки, пересчитанной к первичной полуобмотке трансформатора Т2 (R3= 0):

R_{н к1} = R_н n² _т1 η _т, (6.15)

где n_т1 = ω ₂/0,5ω ₁ – коэффициент трансформации одного плеча выходного трансформа- тора, η _т – КПД трансформатора. Максимальная мощность, отдаваемая транзисторами Р

---

_max = 0,5 U_{кm max} I _{кm max}, численно равна площади треугольника АВС. Больший уровень не- линейных искажений по сравнению с двухтактным каскадом в редиме А нелинейных ис- кажений, обусловлен кривизной начального участка передаточной (проходной)

прямой в режиме В, т.к. ток коллектора в исходной РТ А^' не равен нулю, а сопротивление нагрузки каждого транзистора зависит от тока.

В режиме АВ при малых амплитудах КПД усилителя понижается (по сравнению с с ре- жимом В). При малых амплитудах транзисторы переходят в режим А (штриховая часть нагрузочной линии на рис.6.41,б). Однако общий КПД усилителя уменьшается незначи- тельно, т.к. ток покоя оконечных транзисторов сравним со значением тока, потребляемого предварительными каскадами.
Бестрансформаторныевыходныекаскады
Рассмотренные схемы двухтактных оконечных каскадов с параллельным возбуждени- ем обеспечивают высокий КПД и незначительный уровень нелинейных искажений при работе на нагрузку при подключении через согласующий трансформатор практически лю- бой нагрузки. Однако применение трансформатора существенно увеличивает размеры и стоимость устройства, вносит дополнительные линейные искажения в области нижних и

---

верхних частот не позволяет использовать в интегральной технологии.

Выходной трансформатор можно исключить из схемы при условии, когда нагрузка близка по величине к оптимальному значению выходного сопротивления каскада. Это одновременно позволяет уменьшить нелинейные и линейные искажения, вносимые трансформатором.

Двухтактные бестрансформаторные выходные каскады выполняют с одним или двумя источниками питания на одиночных или составных транзисторах, требующие различных схем управления. Анализ свойств выходного каскада проводят для одного из плеч, ис- пользуя свойство симметрии, что упрощает расчет.

Схема простейшего бестрансформаторного двухтактного каскада с возбуждением од- нофазным напряжением приведена на рис.6.43,а

а) б)

Рис.6.43

Выходной каскад содержит комплементарную пару транзисторов различного типа прово- димости n-p-n и p-n-p и может работать в режиме А или В, или АВ в зависимости от орга- низации цепей смещения. При работе в режиме В напряжение смещения в исходной РТ равно нулю и при отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты. При поступле- нии входного сигнала транзисторы VT1 и VT2 поочередно открываются в зависимости от значения мгновенной полярности входного сигнала. При положительной полуволне вход- ного воздействия открывается транзистор VT1, а VT2 – закрыт; при изменении полярно- сти воздействия, наоборот, VT2 – открыт, VT1 – закрыт. Основной недостатки такой схе- мы: необходимость применения двух источников питания и значительный уровень нели- нейных искажений, обусловленных появлением «ступеньки» в выходном напряжении (рис.6.42,б) вследствие отсутствия напряжения смещения (R3 = 0, рис.6.40).

Для уменьшения нелинейных искажений и перехода к питанию от одного источника используют более совершенную схему оконечного каскада (рис.6.43,б). В части периода,

---

когда открыт верхний транзистор VT2, ток протекает через сопротивление нагрузки R_н , заряжая конденсатор С2. В следующий полупериод входного воздействия открыт нижний транзистор VT3, а конденсатор С2 служит для него источником питания. При достаточно большой емкости С2 напряжение на нем остается практически неизменным. На диоде VD создается относительно небольшое падение напряжение, создающее напряжение смеще- ния на каждом из транзисторов U _бэ = 0,5 U_D , соответствующее току базы в исходной РТ I

_, i_б1 = I _{б0 (рис}. 6.41). Одновременно диод выполняет функцию элемента параметрической температурной стабилизации, температурное изменение напряжения на котором, иден- тично закону изменения базо-эмиттерного напряжения, что существенно уменьшает из- менение положения исходной РТ под действием температуры. Для возбуждения двух- тактного каскада используется резисторный каскад на БТ VT1в режиме А c элементом смещения на резисторе R1. Основной недостаток схемы (рис.6.43,б) в том, для возбужде- ния оконечных транзисторов VT2 и VT3 требуется высокий уровень входного сигнала, т.к. они включены по схеме с ОК.

Снижение мощности на входе оконечных каскадов добиваются подключением нагруз- ки к положительному выводу источника питания (рис.6.44)

Рис.6.44

Схема по конфигурации близка к схеме рис.6.43. Отличие состоит в схеме питания тран- зистора VT1 (Q3) и способе включения транзисторов VT2 (Q1) и VT3 (Q2). Сопротивле- ние нагрузки R9 подключено к источнику питания через разделительный конденсатор С7. Напряжение на С7 почти постоянно и близко к Е/2. Диоды D1 и D2 обеспечивают работу транзисторов VT2 и VT3 в режиме АВ, создавая небольшое напряжение смещения U _бэ. В полупериод, когда транзистор VT3 открывается, конденсатор С7 включается последова-

---

тельно с источником питания и их напряжения вычитаются, так что результирующее на- пряжение равно Е – Е_с7 = Е/2 и конденсатор С7 подзаряжается током транзистора VT3. В другой полупериод входного воздействия, когда открыт транзистор VT2, конденсатор С7 служит источником напряжения Е_с7 = Е/2 и частично разряжается. Подключение R9 к вы- воду резистора нагрузки R10 (не к источнику питания) позволяет получать амплитуду на- пряжения на коллекторе Q1 близкое к Е/2, что соответствует максимальному напряжению раскачки на входах транзисторов Q2 и Q3, а соответственно и напряжению на нагрузке близкое по величине к Е/2 (т.к. транзисторы Q2 и Q3 включены по схеме с ОК). С рези- стора R10 на вход двухтактного эмиттерного повторителя с помощью резистора R9 орга- низуется положительная ОС по питанию, т.к. она подается в цепь питания транзистора Q1 (называется вольтдобавкой). Ее действие сказывается в том, что при уменьшении тока коллектора транзистора Q1 за счет цепи ОС напряжение питания на нем увеличивается. В этот полупериод напряжение на нагрузке складывается с Е , что увеличивает напряжение

раскачки ( коллектора транзистора Q1), достаточную для управления оконечным каска- дом.

Одним из недостатков такой схемы является отсутствие общей точки у нагрузки и ис- точника сигнала. Кроме того, нагрузка находится под напряжением источника питания относительно земли, что не всегда допустимо. В случае обрыва сопротивления нагрузки R10 отключается напряжение питания транзистора Q1, т.е. при отсутствии нагрузки (хо- лостой ход) усилительный каскад неработоспособен.

Другой особенностью бестрансформаторных выходных каскадов с одним источником питания является необходимость подбора пар транзисторов с различным типом проводи- мости. Для устранения этих недостатков применяют дополнительные технические реше- ния (квазикомплементарные пары транзисторов, группы составных транзисторов).

---