Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
Рис. 2.75
Двухтактный бестрансформаторный каскад на комплементарных транзисторах имеет преимущества в том, что, во-первых, не требуется двух противофазных сигналов, так как вход является однотактным; во-вторых, транзисторы включены по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), что дает хорошее согласование выхода каскада с низкоомной нагрузкой (рис. 2.75).
Двухтактный усилитель мощности на комплементарных транзисторах позволяет отказаться от использования как фазорасщепителя на входе, так и трансформатора на выходе. В этом усилителе используются два симметричных транзистора p-n-p и n-p-n типа, называемые комплементарной парой. Принцип его работы основан на том факте, что положительный сигнал открывает p-n-p транзистор, а отрицательный сигнал - n-p-n транзистор. На рис. 2.76 приведена базовая схема двухтактного усилителя на комплементарных транзисторах (каскад с дополнительной симметрией).
188
Рис. 2.76
Транзисторы VT1 и VT2 работают в режиме В, т.е. в точке отсечки. Используются два источника питания: +Ек и –Ек. В положительном полупериоде входного сигнала транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт. Ток i1 транзистора VT1 создает положительную полуволну тока в Rн. В отрицательном полупериоде открывается транзистор VT2, и теперь его ток i2 протекает через нагрузочный резистор Rн. На нагрузке Rн формируется положительный синусоидальный сигнал. Транзисторы в каскаде включены по схеме эмиттерных повторителей.
2.6. Расчет рабочего режима транзисторного каскада
Рабочий режим, т.е. режим усиления транзисторов, это режим, когда транзистор работает с нагрузкой Rн в выходной цепи. Обычно сопротивление нагрузки во много раз меньше выходного сопротивления Rвых самого транзистора. В частности, это условие выполняется, если нагрузка шунтирована малым входным сопротивлением следующего каскада. В таких случаях для упрощения расчета можно приближенно считать, что транзистор работает в режиме без нагрузки.
189
В зависимости от того, в каком режиме работает источник колебания во входной цепи, усиление будет происходить с большими или меньшими нелинейными искажениями. Рассмотрим два наиболее характерных случая. Пусть источник колебаний создает синусоидальную ЭДС евх=Еmвх sin ωt и имеет внутреннее сопротивление Rи.к. Будем считать это сопротивление и сопротивление нагрузки Rн линейными. Входное сопротивление транзистора Rвх, как известно, нелинейно, поскольку нелинейна входная характеристика iвх=f(Uвх), отражающая нелинейные свойства самого транзистора.
Так как сопротивление Rвх у транзисторов мало, наиболее часто бывает, что Rвх«Rи.к., и тогда источник колебаний работает как генератор тока, т.е. в режиме, близком к короткому замыканию. Входной переменный ток в этом случае iвх евх Rи.к. и является синусоидальным поскольку ЭДС евх синусоидальна, а сопротивление Rи.к линейно. Переменный ток на выходе приблизительно пропорционален входному току и также синусоидален. Очевидно, и выходное напряжение Uвых=iвыхRн будет синусоидальным, т.е. усиление происходит с малыми нелинейными искажениями. При этом, хотя входное напряжение Uвх=iвхRвх оказывается искаженным (несинусоидальным), так как Rвх нелинейно, тем не менее на выходе получаются почти не искаженные усиленные колебания. Небольшие нелинейные искажения все же наблюдаются из - за того, что зависимость iвых от iвх не является строго линейной.
Значительно реже бывает, что Rвх»Rи.к., так как источники колебаний с очень малым внетреннем сопротивлением встречаются не так часто. В этом случае ток iвх евх/Rвх и является несинусоидальным, поскольку Rвх нелинейно. Но тогда и выходной ток, пропорциональный входному току, будет несинусоидальным, а следовательно, и выходное напряжение получится искаженным, несмотря на то что входное напряжение в данном режиме приблизительно равно ЭДС и имеет синусоидальную форму.
2.6.1. Расчет режима усиления с помощью параметров транзистора
Простейший расчет рабочего режима является приближенным, что допустимо во многих случаях, так как параметры транзисторов имеют разброс.
190
Если Rн«Rвых, то коэффициент усиления по току кi прибли-
женно равен h21, т.е. кi
для схемы ОБ и кi
для схемы ОЭ. Коэффициент усиления каскада по напряжению
кu=Um вых Um вх= I m выхRн (Im вхRвх)=кiRн Rвх
Входное сопротивление каскада можно приближенно считать равным параметру h11 транзистора:
Rвх h11, тогда кu Rнh21/h11.
Но h21/h11=y21, и, следовательно, можно написать (y- параметры – это система параметров в виде проводимостей)
кu y21Rн.
Вывод формул для более точного расчета режима усиления основан на использовании уравнений
Um1=h11Im1+h12Um2;
Im2=h21Im1+h22Um2.
Выразим Um2 через Im2. При этом учтем, что U2=E2–i2Rн. Тогда – U2=i2Rн, так как приращение постоянной величины Е2 равно нулю. Приращения можно рассматривать как амплитуды и тогда получим Um2= –Im2Rн. Знак ―минус‖ показывает, что между изменениями U2 и i2 имеется фазовый сдвиг на 1800. Перепишем предыдущие уравнения, заменив Um2 на –Im2Rн
Um1=h11Im1–h12Im2Rн;
Im2=h21Im1–h22Im2Rн.
Решим второе уравнение относительно Im2:
Im2+h22Im2Rн=h21Im1;
Im2(1+h22Rн)=h22Im1.
Разделив обе части последнего равенства на 1+h22Rн и на Im1, получим
Im |
|
h |
|
h |
R |
|
2 |
Ki |
21 |
|
21 |
вых |
; |
|
|
|
|
|
||
Im |
|
1 h22 Rн |
|
Rвых |
Rн |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
191
при Rн«Rвых получаем кi h21.
Поделив на Im1 обе части уравнения, получим формулу для
Rвх: |
|
|
|
Um |
Rвх |
h11 h12 Ki Rн . |
|
1 |
|||
|
Im |
|
|
1 |
|
|
|
При малом Rн и с учетом того, что значение h12 мало (значительно меньше единицы), получаем Rвх h11.
Зная коэффициенты усиления кi и кu, при заданном входном токе или входном напряжении можно рассчитать ток и напряжение на выходе, а также входную и выходную мощность и коэффициент усиления по мощности. Например, если задан входной ток Im вх, то
Um вх=Im вхR вх Im вх h11;
Pвх=0,5Im вх Um вх;
Im вых=кi Im вх h21 Im вх;
Um вых =кuUm вх или Um вых =Im выхRн;
Рвых = 0,5Im вых Um вых;
кp=кi кu или кp = Pвых Рвх.
Рассмотренный простейший расчет режима усиления с помощью параметров транзистора делают при малых амплитудах колебаний, так как их нельзя показать на характеристиках и графоаналитический расчет невозможен.
Следует отметить, что иногда коэффициентом усиления транзисторного каскада по напряжению считают отношение выходного напряжения к ЭДС источника усиливаемых колебаний (Em вх). Это имеет определенный смысл, так как из - за малого входного сопротивления транзистора Um вх обычно значительно меньше Em вх. Соответственно этому изменяется и расчет коэффициента усиления каскада по напряжению и мощности. Значения кu и кp, рассчитанные таким образом, будут зависить от соотношения между вход-
192