Однотактный каскад усиления мощности

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.

 

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.