Усилители. Транзистор, как линейный усилитель. Реальные схемы каскадов усиления. Обратные связи в усилителях, страница 13

Этот вопрос мы рассмотрим очень коротко, обратив внимание только на некоторые особенности выходных каскадов, на некоторые проблемы и способы их решения. Начнём с примера, который выявляет особенности работы таких каскадов. Пусть каскад должен выдавать гармонический сигнал и развивать мощность 10 ватт (это далеко не предел) на нагрузке 5 ом. Тогда амплитудные значения тока и напряжения на нагрузке составляют 2 ампера и 10 вольт. Выходное сопротивление каскада должно быть тоже 5 ом.

Таким образом, первая особенность выходных каскадов состоит в том, что они работают с большими токами и напряжениями. Часто реализуется режим работы транзистора (лампы) близкий к предельному, когда сильно проявляется нелинейность характеристик, и, как следствие, возникают значительные нелинейные искажения. В процессе работы транзистор разогревается. Это усугубляет ситуацию.

Вторая важная особенность работы выходных каскадов в режиме усиления мощности заключается в необходимости согласования выходного сопротивления каскада и сопротивления нагрузки (), для оптимальной передачи мощности, для повышения коэффициента полезного действия (КПД). Как только возникает необходимость передачи в нагрузку значительной мощности, сразу одним из основных параметров становится КПД. Рассмотрим основные варианты схем выходных каскадов.

6.7.1. Обычный каскад с коллекторной нагрузкой.

Если , то в качестве усилителя мощности можно использовать обычный каскад с коллекторной нагрузкой, рис. 6.8. К серьёзным недостаткам такого каскада можно отнести значительные нелинейные искажения и маленький КПД. При значительных изменениях выходного напряжения нелинейность характеристик транзистора по-разному себя проявляет для положительного и отрицательного полупериодов напряжения, поэтому и форма их на выходе существенно различается. Типичная картина для «большого» сигнала изображена на рис. 6.37. Положительный полупериод выходного напряжения оказывается существенно ограничен, за счёт сильной нелинейности входной характеристики транзистора при малых токах базы и коллектора, где значительно нарушается пропорциональность входного напряжения и тока базы.

Теперь оценим КПД. Считаем, что рабочая точка выбрана оптимальным образом для получения максимального размаха выходного напряжения. При этом постоянные составляющие напряжения и тока таковы: . Они должны быть больше амплитудных значений переменных составляющих, иначе будут очень сильные нелинейные искажения, ограничение. Примем для оценок амплитуду переменной составляющей напряжения  (общий размах примерно ). Тогда мощность тепловых потерь только за счёт постоянных составляющих составит величину , в то время как полезная мощность в нагрузке . Здесь мы учли условие согласования сопротивлений . Таким образом, КПД каскада составляет всего 10-15 % в лучшем случае (в идеале 50).

6.7.2. Трансформаторный каскад.

Его делают, когда  (типичная ситуация для ламп). Тогда для согласования сопротивлений используется понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации . Он преобразует  в . Из этого равенства и определяется  коэффициент трансформации . КПД такого каскада, рис. 6.35, тоже маленький. Но здесь ещё добавляется значительная нелинейность за счёт трансформатора, поскольку постоянная составляющая тока транзистора создаёт нежелательное подмагничивание сердечника.

6.7.3. Двухтактный каскад.

Двухтактный каскад обладает рядом преимуществ перед обычным, чем и объясняется широкое его применение. Двухтактный каскад очень похож на дифференциальный, рис. 6.36, только у него нет общего сопротивления в эмиттерной цепи транзисторов, поскольку на входе нет синфазной составляющей. На входы поступают два противофазных сигнала . Транзисторы тоже работают в противофазе, . Общее выходное напряжение на нагрузке . Переменные составляющие токов транзисторов в нагрузке складываются, поэтому общий размах выходного напряжения увеличивается. В этом состоит одно преимущество двухтактного каскада.