Принцип работы и основные свойства двухтактного каскада

Режим А Пусть усиливается колебание синусоидальной формы, а транзисторы обоих плеч совершенно идентичны и являются неискажающими (линейными) усилительными элементами. Тогда переменные составляющие коллекторных токов будут тоже синусоидальными полные коллекторные токи можно записать в виде

(1)

(2)

где - ток коллектора одного транзистора в исходной рабочей точке, - амплитуда переменной составляющей тока коллектора.

Поскольку напряжения на входы транзисторов подаются в противо­положных фазах, то переменные составляющие токов коллекторов имеют противоположные знаки. Этим и объясняется знак минус в формуле (2). Временные диаграммы мгновенных значений коллекторных токов изображены на рис.2,а и б.

Рис.2

Через источник питания токи и 1 протекают в одном и том же направлении. Поэтому полный ток питания (рис.2,в)

(3)

Он не содержит тока с частотой ωусиливаемого колебания. Поэтому напряжение c частотой ω не создается на внутреннем сопротивлении источника питания и не поступает на предыдущие каскады, что ослабляет паразитную обратную связь в многокаскадном усилителе.

Коллекторные токи транзисторов протекают через половины первичной обмотки выходного трансформатора в противоположных направлениях. Поэтому магнитный поток в его сердечнике пропорционален разности токов

(3)

и не содержит постоянной составляющей: постоянные составляющие кол­лекторных токов создают равные и противоположно направленные маг­нитные потоки, которые взаимно компенсируются. Отсутствие постоянного подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора повышает его действующую магнитную проницаемость, что позволяет уменьшить размеры трансформатора.

Амплитуда разностного тока в (3) равна сумме амплитуд переменных составляющих токов коллекторов отдельных плеч. Поэтому мощности выходных колебаний плеч в магнитном потоке, а значит, и в нагрузке R_н складываются.

Важным достоинством двухтактного каскада являются пониженные нелинейные искажения, что обусловлено взаимной компенсацией влияния кривизны передаточных характеристик плеч, происходящей благодаря противофазности управления ими и вычитанию. Со спектральной точки зрения это выражается в, отсутствии четных гармоник в выходном токе и напряжении каскада. В самом деле, из-за кривизны передаточной ха­рактеристики ток транзистора имеет не совсем синусоидальную форму, т.е. содержит не только первую, но и высшие гармоники частоты усиливаемого колебания. Тогда вместо (1) получим

(4)

Здесь начальные фазы всех гармоник для простоты приняты равными нулю.

Колебание на вход второго транзистора подается противоположным по знаку, а для синусоидального колебания это эквивалентно сдвигу во времени на полпериода. Поэтому первые гармоники коллекторных токов имеют взаимно противоположные знаки. Но сдвиг на полпериода первой гармоники является сдвигом на целый период второй гармоники. Значит, вторая гармоника тока сдвинута по фазе относительно второй гармоники тока на 360° (на период), т.е. по существу имеет ту же фазу. Продолжая аналогичные рассуждения для остальных гармоник, с учетом (4) получаем

(5)

Тогда разность коллекторных токов

(6)

Следовательно, магнитный поток и напряжение на нагрузке, пропорци­ональные разности , не содержат четных гармоник, хотя последние и имеются в коллекторных токах каждого из транзисторов. Компенсация четных гармоник происходит в магнитном потоке.

Достоинством двухтактного каскада является также его слабая чувствительность к пульсациям питающего напряжения (обусловленным недостаточным сглаживанием выпрямленного напряжения). Пульсации напряжения питания создают равные и противоположно направленные пульсации магнитного потока, которые взаимно уничтожаются.

Рассмотренные достоинства присущи двухтактным каскадам также в режимах В и АВ.

Режим В. В этом режиме ток покоя равен нулю, что уже предопределяет пониженный расход тока питания. Каждый транзистор здесь работает только в течение половины периода колебания. Вторую половину периода он тока от источника питания не потребляет. Это обусловливает повышенный КПД каскада в режиме В.

Изобразим временное диаграммы токов и напряжений, считая пере­даточные характеристики транзисторов линейными, а усиливаемое коле­бание синусоидальным.

Рис.3

В режиме В напряжение смещения равно нулю, а напряжения на базах относительно эмиттеров синусоидальны и противофазны (рис.3,а и б). В течение положительных полуволн транзисторы открываются и пропускают полуволны токов баз и коллекторов (рис.3,в и г), т.е. транзисторы работают с отсечкой коллекторного тока, причем угол отсечки^*) равен 90°. Через источник питания Е_п протекает его ток , равный сумме токов коллекторов (рис.3,д).

В режиме В транзисторы работают строго поочередно: в один полу­период магнитный поток сердечника выходного трансформатора создается током первого транзистора, а в другой - током второго. Поэтому несмотря на отсечку токов, магнитный поток, а значит, и выходное напряжение синусоидальны.

Напряжения на коллекторах относительно эмиттеров (рис.3,е и ж) так же, как и в режиме А содержат постоянные и переменные составляющие, причем последние взаимно противофазны. В течение нерабочих полупериодов транзистора напряжение на его коллекторе не остается неизменным потому, что трансформируется из обмотки второго (работающего) плеча. При максимальной амплитуде пиковые значения напряжений на коллекторах в нерабочие полупериода приближаются к величине 2Е_П .

Недостатком классической двухтактной схемы (рис.1,а) при работе в режиме В является то, что в любой полупериод колебания работает только I одна половина обмотки выходного трансформатора. Вторая половина не используется, т.е. напрасно занимает место. Это ухудшает качественные показатели трансформатора.

*) Напомним, что углом отсечки называется половина длительности импульса тока транзистора, выраженная в единицах текущей фазы ωt

импульса тока транзистора (радианах или градусах).

Режим АВ. В реальных усилителях режиму В присущи нелинейные искажения типа "центральная ступенька", когда выходное колебание в местах перехода его через нуль приобретает искривления наподобие ступенек (рис.4,а). Эти искажения вызываются пониженными уси­лительными свойствами транзисторов при малых токах.

Рис .4

Для их устранения применяется режим АВ, в котором исходные рабочие точки транзисторов выбираются не в самом начале передаточ­ных характеристик. На рис.4,б последние построены во взаимно противоположных направлениях и совмещены по входному напряжению U_бэ в исходных рабочих точках А и А'. Это сделано для упрощения построения передаточной характеристики разностного тока (точнее - разности токов). Она оказывается прямой (наклонная штриховая линия), благодаря чему на диаграмме тока ступенек не возникает. Значит, не будет их и в выходном напряжении. Здесь при малых токах работают оба плеча, подобно режиму А. При больших амплитудах транзисторы работают с отсечкой коллекторных токов, как и в режиме В, но длительность импульсов тока больше половины периода, т.е. угол отсечки больше 90°.

В режиме АВ токи покоя транзисторов не равны нулю. Из-за этого КПД получается несколько ниже, чем в режиме В. однако весьма незначительно. Режим АВ на практике находит наибольшее применение, так как дает небольшие нелинейные искажения, а по КПД лишь незначительно уступает режиму В.

Следует отметить, что нелинейные искажения двухтактного каска­да в режимах В и АВ получаются больше, чем в режиме А, так как здесь взаимная компенсация кривизны передаточных характеристик от­дельных транзисторов либо совсем отсутствует (режим В), либо наблю­дается только на начальных участках (режим АВ). В режиме А компен­сация кривизны характеристик происходит на всей их длине, а началь­ные криволинейные участки совсем не используются. Поэтому нелиней­ные искажения получаются очень малыми.

Контрольные вопросы

1. Почему входные напряжения на транзисторы двухтактного каскада нельзя подавать в одинаковой фазе?

2. Докажите, что на выходе двухтактного каскада отсутствуют четные гармоники частоты усиливаемого колебания.

3. Изобразите осциллограммы токов и напряжений двухтактного каскада в режиме В.

4. В чем причина нелинейных искажений типа "центральная сту­пенька", присущих режиму В? Почему их нет в режиме АВ?