Двухтактный каскад усиления мощности

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

Отношение колебательной и рассеиваемой мощностей:

 

При пиковой колебательной мощности  стремится к единице, тогда , то есть , или . Транзистор выбирается из условия .

В режиме В колебательная мощность для одного транзистора ,а в режиме А – . Как видим, при одном и том же  в режиме В колебательная мощность одного транзистора в раз больше, чем в режиме А. Наряду с высоким КПД это обстоятельство является основным преимуществом работы в режиме В.