Однотактные выходные каскады
Различают резисторные, трансформаторные и дроссельные выходные каскады. Резисторные каскады предназначены для усиления высоких уровней напряжения и ши-
роко применяются в операционных усилителях, УПТ, балансных и дифференциальных каскадах, широкополосных и импульсных усилителях [2,3].
Применение согласующего трансформатора в выходных каскадах позволяет обеспечи- вать оптимальное, с точки зрения согласования с нагрузкой, сопротивление в выходной цепи АЭ. Трансформаторные выходные каскады получили широкое применение в усили- телях многоканальной связи, когда входной и выходной трансформаторы выполняют функцию не только согласующих цепей, но и являются компонентом цепи общей частот- но-зависимой отрицательной ОС.
Дроссельный каскад, обладая свойствами во многом схожими с трансформаторным каскадом, при этом не позволяет обеспечивать оптимальное сопротивление нагрузки и по- этому находит ограниченное применение.
Трансформаторныйкаскад
В однотактном выходном каскаде усиление осуществляется одним транзистором
(рис.6.39,а), работающем в режиме А
а) б)
Рис.6.39
Выходной трансформатор Т преобразует сопротивление внешней нагрузки Rн (например, волновое сопротивление коаксиальной линии) в сопротивление коллекторной нагрузки Rн к :
Rн к = r 1 + (r 2+ Rн)/n2т , (6.1)
где r 1 и r 2 — активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора (сопротивление потерь, которым обычно пренебрегают, т.к. Rн >> r 1 + r 2); nт = ω 1/ω 2 – коэффициент трансформации, где ω 1 и ω 2 – число витков первичной и вторичной обмо- ток трансформатора.
Выходной трансформатор одновременно позволяет исключить взаимное влияние на- грузки на режим работы АЭ и, наоборот. Нагрузочная прямая ВС (рис.6.41,б), наклон ко- торой величиной сопротивления Rн к, проходит через точку А, положение которой опреде- ляется режимом в ИРТ (Uкэ0, I к0), задаваемой на нагрузочной прямой по постоянному то- ку. Если сопротивление первичной обмотки трансформатора r 1 = 0, то нагрузочная прямая по постоянному току проходит вертикально через точку А и Uкэ0 = Е. Временные диа- граммы (рис.6.41,б) отражают характер мгновенных значений коллекторного тока и на- пряжения максимально возможной амплитуды при усилении гармонического сигнала. Точки В и С определяют границы используемой нагрузочной прямой при работе транзи- стора в режиме А. Точка В соответствует границе перехода в режим насыщения, а точка С
– в режим отсечки. Напряжение в точке В и ток в точке С являются минимальными и на- зываются остаточными (u ост, i ост).
Эффективность работы транзистора определяется коэффициентамииспользованиятока и напряжения транзистора
i Iкm / Iк0, u Uкm /Uк0
, (6.2)
где Uкэm, I кm – амплитуда напряжения и тока на коллекторе транзистора (рис.6.41,б)
Коэффициенты
i и u выбирают исходя из требований получения максимально воз-
можной выходной мощности при заданном уровне нелинейных искажений, что ограни- чивает их значения в реальных условиях до величины 0,8 …0,9. Мощность, отдаваемая в эквивалентную нагрузку транзистора в коллекторной цепи, Rн к Р = 0,5 U кэm I кm (6.3) Мощность, потребляемая от источника питания Р 0 = 0,5 U кэ0 I к0 (6.4) При этом КПД каскада будет η = Р / Р 0 = U кэm I кm/2Е I к0 = 0,5 i u 0 , (6.5) где Е – напряжение источника питания, а 0 = U кэ0 /Е – коэффициент использования на- пряжения источника питания. Поскольку 0 <1, u<1, i< 1, а I кm < I к0 , U кэm < U кэ0< , то КПД каскада всегда меньше 50%, хотя и выше чем для резисторного каскада. Обычно коэффициенты исполь- зования не стремятся получать наибольшими (равными единице) поскольку вблизи точек В и С работа транзистора сопровождается большими нелинейными искажениями. С учетом КПД трансформатора η т , мощность отдаваемая в реальную нагрузку R нР н = Р ·η т (6.6) Транзистор выбирают по значению мощности, рассеиваемой на коллекторе Р к.макс по ус- ловию Р к.макс (2,5…3,5) Р (6.7) Поскольку мощность на нагрузке пропорциональна квадрату амплитуды напряжения, то в режиме А (при неизменном среднем токе питания) уменьшение амплитуды напряже- ния на нагрузке приводит к быстрому уменьшению КПД. Кроме того, как показывает (6.5) мощность, выделяемая на коллекторе транзистора Р кР к = Р 0 — Р (6.8) будет сильно изменяться при колебаниях уровня входного сигнала. К другим недостаткам трансформаторных каскадов следует отнести большие размеры, массу, стоимость, сравнительно узкую полосу пропускания и невозможность реализации усилителя по интегральной технологии. |
Скачать 2.68 Mb.