6. Выходные каскады усилителя (ВКУ)

6.1. Основные особенности и качественные показатели ВКУ

6.2. Режимы работы усилительного элемента в выходных каскадах усиления

6.3. Однотактная трансформаторная схема на биполярном транзисторе

6.4. Построение выходных динамических характеристик

6.4.1. Динамическая (нагрузочная) характеристика по постоянному току

6.4.2. Динамическая характеристика по переменному току

6.1. Основные особенности и качественные показатели ВКУ

Назначение ВКУ – обеспечить при заданном сопротивление нагрузки требуемый уровень сигнала. Если нагрузка активная, то ВКУ должен обеспечить необходимую мощность сигнала:

Если же нагрузка реактивная, например, С_Н, то необходимое выходное U_ВЫХ. Требуемый уровень выходного сигнала должен обеспечиваться при допустимых линейных и нелинейных искажениях, а также при возможности меньшем потреблением энергии источника питания. Для получается максимальной отдаваемой мощности УЭ должен работать в оптимальных условиях и иметь оптимальное сопротивления нагрузки:

;

Поскольку ВКУ работает при больших уровнях сигнала, то он создаёт основные нелинейные искажения усилителя, т.е. ВКУ работает в режиме “больших сигналов”.

ВКУ потребляет основную мощность источника питания, и экономичность является одной из основных характеристик:

где P₀ = E_П·i₀ – потребляемая мощность. КПД можно представить и в другом виде:

(6.1)

i₀ = I_CP – среднее значение тока; в режиме класса А равное току в РТ. – коэффициент использования усилительного элемента по току; – коэффициент использования усилительного элемента по напряжению; – коэффициент использования источника питания. Уравнение (6.1) показывает, что КПД зависит от коэффициентов использования усилительного элемента и его режима работы.

6.2. Режимы работы усилительного элемента в выходных каскадах усиления

УЭ в ВКУ работают в режиме класса “А” или “В”. Для режима класса “А” РТ выбирается на середине линейного участка УЭ. Этот режим чаще используются в предварительных каскадах усиления и при жестких требованиях к нелинейным искажениям и в ВКУ, в частности усилителях МСП.

для этого режима:

и КПД равен:

Практически η_ВКУ.А ≈ 30%, причем величины ψ_А, ξ_А и η_ВКУ.А зависят от уровня сигнала.

Режим класса “В” характеризуется более сложной схемой, т.к. используется не менее двух УЭ; УЭ работают поочерёдно, а РТ выбирается на оси управляющих напряжений. Этот режим характеризуется также высоким КПД до 78,5% и большими нелинейными искажениями, по сравнению с режимом класса “А”.

6.3. Однотактная трансформаторная схема на биполярном транзисторе

Данная схема применяется обычно в ВКУ групповых усилителей и работают в режиме класса “А”. В выходной цепи включается трансформатор. Он служит элементом связи выхода усилителя с нагрузкой, рис. 6.1:

Рис. 6.1. ВКУ на биполярном транзисторе.

Заметим, что трансформатор используется как элемент связи и на входе групповых усилителей. Трансформаторная схема ВКУ имеет два основных преимущества:

• • Позволяет заданное сопротивление нагрузки преобразовать к оптимальному значению УЭ;
  • Позволяет повысить КПД ВКУ, т.к. малые потери в выходной цепи; для схемы, приведенной на рис. 6.1

U_K0 = E_П –i_K0·R_H= ≈ E_П –i_K0·R_Э.

Здесь R_H= = R_Э + r₁ ≈ R_Э, т.к. r₁ << R_Э. R_H= – сопротивление нагрузки по постоянному току; r₁ – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора.

К недостаткам трансформаторного каскада относится:

• Большие размеры, масса и стоимость;
• Сравнительно узкая полоса рабочих частот;
• Невозможность выполнения усилителя по интегральной технологии.

При использование БТ коэффициент использования ξ = ψ и согласование обеспечивается при:

Поскольку входное сопротивление трансформатора равно:

то ;

откуда n_ОПТ равно: ; Выбор транзистора для ВКУ производится по частоте f_h21Э ≥ 3·f_В и допустимой мощности рассеивания на коллекторной переходе:

Для усилителей МСП обычно ξ = ψ = 0,5 ÷ 0,7. Это позволяет получить малые нелинейные искажения (большое затухание нелинейности).

Эквивалентная схема трансформатора для широкой полосы частот имеет следующий вид:

Эта схема учитывает влияние всех реактивных элементов. Здесь обозначено: С′_ТР = С_ТР·n² – эквивалентная емкость трансформатора; – пересчитанное к первичной обмотке сопротивление нагрузки; L₁ – индуктивность холостого хода; L_S1 и L_S2 – индуктивность рассеивания первичной и вторичной обмоток; r₁ и r₂ – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток; ; ; r_C – сопротивление потери стали сердечника трансформатора. У малогабаритных трансформаторов С_ТР = (15÷40) пФ, средних размеров (40÷150) пФ.

В зависимости от области частот проявляется влияние тех или иных элементов схемы. Для области НЧ L_S1, L′_S2 и C′_TP не влияют и можно исключить из эквивалентной схемы. В области НЧ влияет индуктивность холостого хода L₁. В области ВЧ влияет L_S1, L′_S2 и C′_TP; при этом индуктивность холостого хода L₁ не влияет на частотные искажения.

6.4. Построение выходных динамических характеристик

6.4.1. Динамическая (нагрузочная) характеристика по постоянному току

Нагрузочная характеристика по постоянному току определяется уравнением цепи, по которой проходит постоянная составляющая выходного тока. Она необходима для расчета элементов, обеспечивающих режим работы усилительного элемента:

R_H= – сумма резисторов в выходной цепи. Для построения нагрузочной прямой по постоянному току используют систему уравнений:

В рабочей точке i_ВЫХ = i₀, U_ВЫХ = U₀. Система уравнений (*) решается графически. На семействе выходных характеристик строим уравнения прямой по двум точкам, рис. 6.2.:

1) i_ВЫХ1 = 0, тогда U_ВЫХ1 = Е_П; .

2) U_ВЫХ2 = 0, тогда ;

Рис. 6.2. Выходная динамическая характеристика.

Положение РТ на нагрузочной прямой определяется напряжением смещения (током смещения). В практических расчетах для выбранной РТ выбирают либо Е_П:

Е_П = U₀ + i₀∙R_H=

Либо рассчитывают :

;

например, в резистивных предварительных каскадах усиления с эмиттерной стабилизацией:

R_H= = R_Э + R_K;

В трансформаторных ВКУ:

R_H= =R_Э + r₁ ≈ R_Э;

Т.к. r₁ очень небольшое.

6.4.2. Динамическая характеристика по переменному току

Динамическая характеристика по переменному току связывает мгновенные значения тока и напряжения при усилении сигнала

Уравнение нагрузочной прямой по переменному току можно записать:

U_ВЫХ – U₀ = – (i_ВЫХ– i₀)∙R_H~.

Строится нагрузочная прямая по двум точкам: 1) i_ВЫХ3 = 0, тогда U_ВЫХ3 = U₀ + i₀∙R_H~ 2) Положение рабочей точки. Угол наклона нагрузочной примой равен:

Чем больше величина R_H~, тем положе идёт нагрузочная прямая. Следует иметь ввиду, что в резистивных каскадах динамическая характеристика всегда круче, чем нагрузочная прямая по постоянному току, т.к.

R_H= = R_K + R_Э.

Всегда больше . Для трансформаторных каскадах положение динамической характеристики зависит от:

Динамическая характеристика позволяет произвести расчет усилительного каскада по переменному току (определить уровень входного и выходного каскадов, отдаваемую УЭ мощность, КПД и др).

Отдаваемая УЭ мощность равна:

Используя нагрузочную прямую по переменному току можно определить коэффициент нелинейных искажений. Для этого строится сквозная динамическая характеристика [1].