63621 (Каскады мощного усиления)

Содержание:

1. Определение гармонических составляющих выходного тока

2. Двухтактный каскад усиления мощности

3. Энергетические соотношения в двухтактном каскаде

4. Схемы трансформаторных двухтактных каскадов

5. Безтрансформаторный каскад усиления мощности

Литература

1. Однотактный каскад усиления мощности

Каскады мощного усиления должны отдавать в нагрузку заданную мощность, поэтому используется весь размах характеристики транзистора (из-за больших амплитуд) с заходом на нелинейный участок. Один из основных показателей – коэффициент нелинейных искажений.

Нелинейные искажения возникают во входной (нелинейность входных характеристик) и в выходной (нелинейность выходных характеристик) цепях.

Учесть эти нелинейности позволяет сквозная характеристика , которую можно построить по точкам входной и выходной характеристик. Строится нагрузочная прямая по переменному току. Для каждой точки находятся значения i_к и i_б. По входной характеристике находятся значения . Для каждой точки вычисляются значения . По этим точкам строится сквозная характеристика как зависимость . По сквозной характеристике, построенной таким образом, можно определить влияние второй гармоники. Ток коллектора

.

Рассмотрим различные моменты времени.

1) Ток коллектора ;

2) Ток коллектора ;

3) Ток коллектора

Из этих уравнений можно найти значения среднего тока коллектора , амплитуду первой гармоники тока коллектора и амплитуду второй гармоники тока коллектора . Тогда коэффициент гармоник

Метод трех ординат дает сведения о влиянии только второй гармоники. Чтобы учесть гармоники более высокого порядка (третью и четвертую), пользуются методом пяти ординат, при котором на характеристике берется пять точек.

Согласование с нагрузкой осуществляется с помощью трансформатора, коэффициент трансформации которого, где и число витков соответственно в первичной и вторичной обмотках. Сопротивление нагрузки, пересчитанное к первичной обмотке , откуда , находится ниже из электрического расчета. С учетом КПД трансформатора

, .

Каскад работает в режиме А.

Ток существует во время всего периода.

В режиме В происходит отсечка тока. Ток существует только во время угла отсечки коллекторного тока. В режиме В . Реально , что соответствует режиму АВ.

Необходимо рассмотреть энергетические соотношения в каскаде. Рассмотрим семейство выходных характеристик.

1) Проведем нагрузочную прямую по постоянному току. Так как по постоянному току нагрузкой транзистора является первичная обмотка трансформатора, чье сопротивление очень мало, то прямая вертикальна

( )

2) Выбираем рабочую точку О в середине характеристик.

3) Построим нагрузочную характеристику по переменному току из условия максимального использования характеристик транзистора. Наклон нагрузочной прямой определяет сопротивление нагрузки по переменному току:

,

если это значение сильно отличается от заданного , применяется трансформатор. Значение тока должно быть меньше допустимого значения для данного транзистора.

4) Коэффициенты использования коллекторного тока и напряжения:

, .

5) Колебательная мощность: .

6) Потребляемая мощность: .

7) КПД каскада: . Т. е. КПД каскада при пиковой мощности может достигать . Среднее значение КПД составляет всего 2-4%.

Потребляемую мощность можно представить в виде суммы двух составляющих: колебательной и рассеиваемой на коллекторе мощностей:

.

Потребляемая мощность – величина постоянная, максимальная рассеиваемая – в режиме молчания, когда , . Транзистор выбирается по допустимой мощности .

Основной недостаток режима А – неполное использование транзистора: .

Для рабочей схемы необходимо выбрать напряжение питания . У транзистора существует параметр – допустимое напряжение на коллекторе ( ). В режиме А необходимо, чтобы . Для расчета необходимо знать входное сопротивление и входную мощность транзистора. Входное сопротивление

,

входная мощность

Удвоенные значения амплитуд берутся, так как рабочая точка расположена несимметрично на характеристике.Нелинейные искажения можно определить, построив сквозную характеристику и рассчитав коэффициент гармоник методом трех или пяти ординат. В случае пяти ординат можно определить коэффициент гармоник с учетом первых четырех гармоник:

.

Для различных схем включения зависимости коэффициента гармоник от сопротивления генератора различны.

В схеме с общей базой нелинейные искажения меньше, так как в этой схеме есть отрицательная обратная связь по току на сопротивлении генератора, чем оно больше, тем глубже ОС, тем меньше нелинейные искажения. Схема с общим коллектором требует большего входного напряжения, так как напряжение в данной схеме не усиливается, малые искажения возможны при малых сопротивлениях генератора. Схема применяется в безтрансформаторных каскадах.

2. Двухтактный каскад усиления мощности

Свойства двухтактного каскада. Данный тип каскадов является основным для каскадов усиления мощности. Разновидности двухтактного каскада – трансформаторный и безтрансформаторный. Особенности трансформаторного каскада: 1) Каскад состоит из двух симметричных плеч;

2) Оба плеча возбуждаются противофазно:

, .

Особенности безтрансформаторного каскада:

1)Транзисторы плечей – комплементарные (то есть разной проводимости и имеющие одинаковые характеристики):

- , - ;

2) Плечи возбуждаются противофазно, инверсия фазы обеспечивается за счет разной проводимости транзисторов.

3) Оба транзистора работают поочередно, в режиме В.

Ток каждого плеча состоит из переменной и постоянной составляющих, переменные составляющие противофазны:

,

В трансформаторном каскаде переменные составляющие токов текут встречно через первичную обмотку трансформатора, образуя разностный магнитный поток, который образует виртуальный разностный ток.

В безтрансформаторном каскаде разностный ток реально существует в нагрузке:

,

постоянная составляющая разностного тока , переменная составляющая , то есть переменные токи плечей суммируются. При симметрии схемы , тогда постоянная составляющая разностного тока равна нулю.

Двухтактные каскады обладают следующими свойствами:

1) В двухтактном каскаде отсутствует постоянный ток подмагничивания трансформатора, поэтому магнитная проницаемость сердечника трансформатора возрастает, поэтому при заданной идуктивности первичной обмотки можно уменьшить габариты трансформатора.

2) В безтрансформаторной схеме через сопротивление нагрузки не протекает постоянный ток, нагрузку можно подключать через разделительный конденсатор.

3) В разностном токе отсутствуют четные гармоники:

,

.

Переменное напряжение на базе , тогда по формулам кратных дуг можно получить выражения для токов коллектора:

,

.

Разностный ток

.

Четные гармоники противофазны, в разностном токе они компенсируются, что позволяет каскаду работать в режиме В при малых нелинейных искажениях.

В режиме В ток коллектора представляет собой последовательность косинусоидальных импульсов. У таких импульсов отсутствуют нечетные гармоники, начиная с третьей (видно из разложения в ряд), четные гармоники компенсируются, в результате остается одна первая. Противофазное плечо дает импульсы противоположной полярности, разностный ток представляет собой целую гармонику. Таким образом, в идеальном случае в двухтактном каскаде отсутствуют нелинейные искажения.

4) В источнике питания трансформаторного каскада отсутствуют нечетные гармоники:

При этом облегчаются требования к цепям развязки для уменьшения паразитной отрицательной обратной связи через цепи питания.

К недостаткам двухтактных схем можно отнести наличие в схеме двух плеч, двух транзисторов; отвода от средней точки в первичной обмотке трансформатора; необходимость выполнения условий симметрии.

3. Энергетические соотношения в двухтактном каскаде

Амплитуда коллекторного тока для трансформаторного каскада не должна превышать допустимого значения .

Для безтрансформаторного каскада строится нагрузочная прямая

.

Колебательная мощность

.

Постоянный ток в одном плече можно найти из разложения косинусоидальных импульсов: . Мощность, потребляемая двумя плечами: , то есть потребляемая мощность зависит от амплитуды импульсов коллекторного тока, в режиме молчания, каскад не потребляет энергию.Коэффициент использования коллекторного напряжения: . КПД каскада

КПД каскада зависит от амплитуды импульсов коллекторного тока , максимум КПД получается при максимальной амплитуде, если , то . Средний КПД .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора

Для нахождения максимума функции продифференцируем по :

Приравняем производную к нулю, откуда критический коэффициент использования напряжения . Критическое напряжение , ток . Тогда максимальная рассеиваемая мощность