2.5.Энергетические характеристики оконечного каскада

Проведем расчет бестрансформаторного усилителя мощности для одного плеча, поскольку процессы, происходящие в коллекторных цепях транзисторов, одинаковы. Для определения энергетических характеристик оконечного каскада рассмотрим семейство выходных характеристик транзистора с построенной динамической линией нагрузки. Построим также временные диаграммы тока и напряжения, как показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Построение временных диаграмм напряжения и тока в усилителях мощности для одного транзистора

Для режима В ток покоя (при U_вх = 0) можно считать равным нулю. Обычно этот ток в режиме В (или АВ) выбирают равным

.

Напряжение

.

Напряжение U_кэ изменяется в соответствии с нижней диаграммой рис. 2.8.

Напряжение на нагрузке при входном синусоидальном сигнале

(2.1)

где S — крутизна проходной характеристики.

Введем коэффициент использования напряжения

.

С учетом (2.1)

. (2.2)

Если остаточное напряжение транзистора U_{кэ min} = 0, то U_{к m} = 0,5Е и  = 1. Если U_{к m} = 0, то  = 0. Таким образом, при U_кэ  0

,

где .

Из выражения (2.2) определим амплитуду импульса коллекторного тока

. (2.3)

При  = 1, I_{к max} = Е/(2Rн).

Определим мощность, характеризующую работу оконечного каскада. Каждое плечо усилителя мощности потребляет ток от источника питания

.

Суммарная мощность, потребляемая от источника питания

.

Подставляя значение I_кm из (2.3), получим

. (2.4)

Из выражения (2.4) видно, что мощность Р₀ линейно зависит от коэффициента использования напряжения . При  = 1

.

Определим мощность в нагрузке

(2.5)

Тогда, кпд

и линейно зависит от .. При  =1 кпд максимален и равен .

Мощность, рассеиваемая на коллекторах двух транзисторов,

.

Тогда

.

Продифференцировав полученное выражение по  и приравняв нулю первую производную, находим, что максимум рассеиваемой мощности на коллекторе транзистора имеет место при =2=0,637 и равен

. (2.6)

Из выражения (2.6) найдем значение

и подставим это значение в (2.5). Получим

.

Отсюда следует, что полезная мощность в нагрузке в 4,93 раза превышает мощность, рассеиваемую одним транзистором. Обычно считают Р_н = (4 - 5) Р_{к max}. Последнее выражение позволяет по заданной мощности в нагрузке определить Р_{к max} и выбрать транзистор по допустимой мощности, рассеиваемой на его коллекторе.

2.6.Режим ав для усилителя мощности

Переходные искажения, возникающие в усилителе мощности в режиме В, вызывают значительные нелинейные искажения. Как видно из переходной характеристики (см. рис. 2.5) вблизи нуля ток в открытом транзисторе достаточно мал, а его внутреннее сопротивление велико. В результате прирост напряжения на нагрузке в этой области оказывается меньше, чем изменение входного сигнала, что и является причиной излома данной характеристики.

При задании небольшого начального тока транзисторов их внутреннее сопротивление уменьшается, переходная характеристика становится более линейной, что существенно уменьшает нелинейные искажения. Такой режим и называется режимом АВ. В этом режиме переходные искажения настолько малы, что с помощью обратной связи легко могут быть уменьшены до пренебрежимо малой величины.

Существуют различные способы задания напряжения смещения в оконечных каскадах. Один из способов задания напряжения смещения показан на рис. 2.9. Для задания малого тока покоя между базами транзисторов VT1 и VT2 в данной схеме приложено постоянное напряжение, около 1,4 В. С этой целью в схему введены диоды VD 1 и VD2. Падение напряжения на диодах VD1 к VD2 составляет примерно U₁=U₂= 0,7B. При таком напряжении через транзисторы VT1 и VT2 течет небольшой начальный ток. Величина генератора тока I₁ выбирается больше максимального базового тока транзисторов VT1 и VT2, чтобы диоды VD1 и VD2 при максимальном входном сигнале не запирались. Источники постоянного тока не следует заменять резисторами, так как в этом случае ток через диоды будет убывать при возрастании входного сигнала.

Рис. 2.9. Задание начального смещения с помощью диодов

Основная проблема режима АВ состоит в необходимости поддержания постоянного тока покоя транзисторов VT1 и VT2 в широком диапазоне рабочих температур. При увеличении температуры, как известно, ток покоя увеличивается. Это приводит к дальнейшему росту температуры транзисторов и в результате к их тепловому разрушению. Такой эффект называется положительной термической обратной связью.

Для компенсации положительной связи при повышении температуры транзистора на 1°С необходимо уменьшить напряжение U_эб, примерно на 2,5 мВ. Эту роль дополнительно и выполняют диоды VD1 и VD2, кроме задания напряжения смещения в схеме рис. 2.9. Конечно, такая температурная компенсация оказывается неполной, так как существует значительное различие в температурах перехода транзистора и его корпуса. Поэтому применяются дополнительные меры по стабилизации тока покоя. Для этого в схему усилителя мощности включаются резисторы R1 и R2, которые осуществляют отрицательную обратную связь по току. Эффективность обратной связи увеличивается с возрастанием величины сопротивлений этих резисторов, но при этом уменьшается выходная мощность. По этой причине величина сопротивлений резисторов обратной связи должна выбираться малой по сравнению с сопротивлением нагрузки.