РАЗДЕЛ 5. Конспект лекций

### РАЗДЕЛ 5 ВЫХОДНЫЕ И ПРЕДВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ

5.1 Краткие теоретические положения
5.2 Усилитель мощности с трансформаторной связью с нагрузкой
5.3 Особенности построения бестрансформаторных усилителей мощности
5.4 Примеры решения задач
5.5 Вопросы для самопроверки
5.6 Тестовые упражнения

### 5.1 Краткие теоретические положения

Назначение выходного каскада усиления (ВКУ) – обеспечить при заданном сопротивлении нагрузки требуемый уровень сигнала (мощность) в нагрузке при допустимых линейных и нелинейных искажениях, а также возможно меньшем потреблением энергии от источника питания (максимальном КПД). В этом случае усилительный элемент (УЭ) должен обеспечить отдаваемую мощность

(5.1)

где Um.вых и Im.вых – амплитуды, соответственно, выходного напряжения и тока.

Усилительные элементы в ВКУ работают в режиме класса «А» или «В». Мощные избирательные усилители (в радиопередающих устройствах) могут работать в режиме «С» или «Е».

Как отмечалось в разделе 3, для обеспечения режима класса «А» рабочая точка (РТ) выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики (характеристики прямой передачи) усилительного элемента (УЭ). Этот режим чаще используются в предварительных каскадах усиления, а также в маломощных предвыходных и выходных каскадах при жестких требованиях к нелинейным искажениям в ВКУ. Максимально возможный КПД в режиме «А» составляет 50% (реальный – не более 30%).

В режиме класса «В» РТ выбирается при нулевом или очень малом напряжении смещения. Этот режим характеризуется высоким КПД (до 78,5%) и большими нелинейными искажениями, чем в режиме класса «А».

Для уменьшения искажений используются двухтактные схемы, в кото-рых используется не менее двух УЭ, работающих поочерёдно (для усиления положительного и отрицательного полупериодов).

### 5.2 Усилитель мощности с трансформаторной связью с нагрузкой

На рисунке 5.1 приведена схема однотактного усилителя мощности в режиме «А» с трансформаторной схемой связи с нагрузкой.

Трансформаторная схема ВКУ имеет два основных преимущества:

• позволяет заданное сопротивление нагрузки преобразовать к опти-мальному значению, при котором УЭ отдает максимальную мощность в нагрузку;

• позволяет повысить КПД, так как уменьшает потери в выходной цепи в связи с малым сопротивлением первичной обмотки трансформатора по постоянному току и обеспечить максимальную отдаваемую мощность для заданного режима работы.

(5.2)

где RH= – сопротивление нагрузки по постоянному току: так как r1 << RЭ; r1 – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора.

Рисунок 5.1. Трансформаторный каскад на транзисторе

Вместе с тем, трансформаторная связь имеет ряд недостатков:

• большие размеры, масса и стоимость;

• сравнительно узкая полоса рабочих частот;

• большие фазовые искажения, затрудняющие обеспечить большую глубину общей ООС в связи с опасностью самовозбуждения усилителя;

• невозможность выполнения усилителя по интегральной технологии.

Режим работы транзистора выбирается из следующих соображений:

1. Чтобы обеспечить получение заданной мощности в нагрузке (Рн), рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность в режиме класса «А» не должна быть меньше величины

(5.3)

где ηтр – КПД выходного трансформатора (0,95 – 0,97);

– соответственно коэффициенты использования усилительного элемента по напряжению и по току, которые не превышают 0,7 для получения достаточно малых нелинейных искажений;

Umk и Imk – амплитуды соответственно коллекторного напряжения и тока.

С другой стороны, Рк = Uк0iк0. Поэтому для любого напряжения на коллекторе ток коллектора не должен быть ниже величины

(5.4)

2. Напряжение на коллекторе Uкэ0 не должно быть слишком малым, то есть не должно выбираться вблизи области насыщения транзистора. Для большинства транзисторов, предназначенных для усиления сигналов, Uкэ нас не превышает (0,5 ÷ 2) В. Поэтому Uкэ0 мин должно быть не менее (1,5 ÷ 3)Uкэ нас (с учетом нестабильности рабочей точки). С другой стороны, максимальное значение Uкэ0 макс не должно превышать (0,7 ÷ 0,8)Еп, по-скольку часть выходного напряжения будет падать на сопротивлении Rэ, которое выполняет функции стабилизации постоянного коллекторного тока.

3. Постоянный коллекторный ток iк0 также не должен быть слишком малым. Для маломощных транзисторов при iк0 < 2мА усилительные свойства транзистора резко снижаются. С другой стороны, iк0 не должно приближаться к максимально допустимому значению коллекторного тока, заданному в справочнике для данного транзистора iк0 макс < 0,45 iк0доп.

4. При любом напряжении на переходе к–э рассеиваемая на транзисторе мощность Рк = Uкэ0iк0 не должна превышать значение максимально допустимой мощности Ркмакс, заданной в справочнике для данного транзистора.

5. Нагрузочная прямая по постоянному току не должна пересекать линию Ркмакс, поскольку, учитывая дестабилизирующие факторы, рабочая точка может сместиться в область, ограниченную линией Ркмакс, что приведет к перегреву и выходу транзистора из строя. При выбранном Uкэ0 ток коллектора в рабочей точке не должен превышать значение

(5.5)

Таким образом, рабочая точка может быть выбрана в области, ограниченной условиями 1 – 5, как показано на рисунке 5.2.

Желательно выбирать рабочую точку вблизи линии Pк, поскольку при больших токах возрастает рассеиваемая на коллекторе транзистора мощность, что приведет к повышению температуры p-n перехода, а следовательно к большей нестабильности режима работы.

При использование БТ для получения малых нелинейных искажений коэффициент использования

(5.6)

Рисунок 5.2 – Область выбора рабочей точки транзистора

Поскольку входное сопротивление трансформатора равно:

(5.7)

то для выполнения условия (5.8)

необходимо обеспечить оптимальный коэффициент трансформации:

(5.9)

где ηтр = 0,95… 0,98 – коэффициент полезного действия трансформатора.

Расчет выходного каскада производится графоаналитическим методом, для чего используются входные и выходные статические характеристики транзистора и строятся выходные динамические характеристики (нагрузочные прямые), под которыми понимается зависимость выходного тока транзистора от напряжения при заданной нагрузке. Поскольку цепи выходного постоянного и переменного тока (и, следовательно, сопротивления цепей) разные, то различают нагрузочные прямые по постоянному и переменному 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, и строится в соответствие с уравнением Кирхгофа для выходной цепи:

(5.10)

где – для резисторного каскада с эмиттерной стабилизацией;

- для трансформаторных ВКУ с эмиттерной стабилизацией, так как сопротивление первичной обмотки трансформатора r1 очень небольшое.

Нагрузочная характеристика по постоянному току строится по двум точкам (рисунок 5.3):

1. При

2. При

Динамическая характеристика по переменному току связывает мгновенные значения тока и напряжения при усилении сигнала. Для построения нагрузочной прямой на оси напряжений откладывается точка

(5.11)

Тогда прямая пройдет через точку (iк = 0, Uкэ = U’кэ) и рабочую точку (iк = iк0, Uкэ = Uкэ0), как показано на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Построение выходных динамических характеристик транзистора

Чем больше величина Rк~, тем положе идёт нагрузочная прямая. Следует иметь в виду, что в резисторных каскадах динамическая характеристика по переменному току всегда круче, чем нагрузочная прямая по постоянному току, так как

Rн= = RK + RЭ всегда больше

Для трансформаторных каскадов положение динамической характеристики зависит не только от RK~ , но и от коэффициента трансформации (5.7). В этом случае может даже превысить Еп за счет самоиндукции трансформатора.

Динамическая характеристика по переменному току позволяет произвести расчет усилительного каскада (определить амплитуды входных и выходных токов и напряжений, отдаваемую усилительным элементом мощность, КПД и др).

На рисунке 5.4 показана оптимальная динамическая характеристика по переменному току и треугольники мощности, которые соответствуют максимально возможным амплитудам тока и напряжения при допустимых нелинейных искажениях сигнала.

Рисунок 5.4 – Построение треугольников мощности

Оптимальная нагрузочная прямая строится для оптимального сопро-тивления, которое при выбранном режиме работы определяется из (5.6).

Отдаваемая усилительным элементом мощность, в соответствие с (5.1), равна:

(5.12)

Амплитуды выходных токов и напряжений, а также входного переменного тока, можно определить графически по выходным статическим характеристикам и треугольникам мощности для крайних точек (а, б) изменения сигнала (рисунок 5.4):

(5.13)

Амплитуда входного напряжения определяется по входной динамической характеристике (которая совпадает со статической при Uкэ > 0) и крайним точкам изменения тока базы (рисунок 5.5):

(5.14)

Рисунок 5.5 – Входная характеристика транзистора

Из графических построений можно определить:

• коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности

(5.15)

• входное сопротивление транзистора

(5.16)

• коэффициент полезного действия усилительного элемента

(5.17)

Если коэффициент трансформации не равен оптимальному, то транзи-стор не сможет отдать в нагрузку максимальную мощность. Это объясняется тем, что, в соответствие с (5.7) увеличение коэффициента трансформации (n) приведет к уменьшению нагрузки для усилительного элемента (Rк~). А это, в свою очередь, приведет к уменьшению амплитуды выходного напряжения неискаженного сигнала (наклон нагрузочной прямой возрастает). При этом амплитуда тока существенно не изменится, поскольку, во-первых, амплитуда тока (по нижнему треугольнику) будет ограничиваться областью отсечки транзистора, а во-вторых, при неискаженном сигнале амплитудные значения положительного и отрицательного полупериодов сигнала будут всегда одинаковы.

При уменьшении n сопротивление Rк~ увеличивается, что приведет к уменьшению амплитуды выходного тока неискаженного сигнала (наклон нагрузочной прямой уменьшается). При этом амплитуда напряжения существенно не изменится, поскольку, во-первых, амплитуда напряжения (по верхнему треугольнику) будет ограничиваться областью насыщения транзистора, а во-вторых, при неискаженном сигнале амплитудные значения положительного и отрицательного полупериодов сигнала будут всегда одинаковы.

И в том и в другом случае площадь треугольников мощности становится меньше, чем при оптимальной нагрузке, как показано на рис.5.6. Таким образом, максимальную отдаваемую мощность (Pотд макс) можно получить только при оптимальной нагрузке (оптимальном коэффициенте трансформации nопт), что проиллюстрировано на рис. 5.7.

Следует отметить, что получение максимальной отдаваемой мощности (Pотд макс) и максимального коэффициента усиления по мощности (Км макс) достигается при разных условиях.

Максимальный коэффициент передачи по мощности можно получить только при согласованной нагрузке, когда входное сопротивление трансформатора будет равно выходному сопротивлению транзистора (Rк~ = Rвых VT). Но в этом случае от транзистора нельзя получить максимальную мощность.

Рисунок 5.6 – Изменение площади треугольников мощности для разных нагрузках по переменному току

Рисунок 5.7 – Зависимость максимальной отдаваемой мощности и коэффициента усиления
по мощности от коэффициента трансформации.

Таким образом, при использовании трансформатора в качестве элемента связи с нагрузкой оптимальный коэффициент трансформации для получения максимальной отдаваемой мощности должен выбираться из условий (5.8, 5.9). Для получения максимального коэффициента усиления по мощности, с учетом (4.34) и реального КПД трансформатора:

(5.18)

### 5.3 Особенности построения бестрансформаторных усилителей мощности

Бестрансформаторные усилители, работающие в режиме класса «В», целесообразно применять в случае, если нагрузка близка к оптимальной. Эти усилители широко используются в аппаратуре радиосвязи и радиовещания, поскольку позволяют обеспечить достаточно высокую мощность (до 20 – 50 Вт) при высокой стабильности параметров, большом динамическом диапазоне, малых линейных искажениях, габаритах, весе и стоимости.

На рисунке 5.8 представлен вариант схемы, состоящей из двухтактного выходного и однотактного предвыходного каскадов усиления. Выходной каскад построен на комплементарных транзисторах VT2, VT3, работающих в режиме «В», с двумя источниками питания.

Рисунок 5.8 – Усилитель мощности на комплементарных транзисторах с двумя источниками питания.

Сопротивление RТ необходимо для обеспечения небольшого смещения на транзисторах VT2 и VT3 (режим АВ) и температурной стабилизации положения рабочей точки. Терморезистор RТ часто заменяют последовательным включением двух диодов (либо двух транзисторов, в диодном включении при замыкании выводов коллектора и базы), поскольку температурные изменения их вольт - амперных характеристик будут соответствовать изменению входных характеристик транзисторов VT2 и VT3.

При усилении сигналов переменного тока можно использовать схему выходного каскада с одним источником питания при включении большой выходной разделительной емкости (Срвых). Эта емкость заряжается до напряжения Еn/2 и выполняет роль источника питания для транзистора VT3 при закрывании верхнего плеча (VT2). Схема приведена на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 – Усилитель мощности на комплементарных транзисторах с одним источником питания.

Конденсатор Срвых в течении работы VT3 будет частично разряжаться, что при недостаточно большой емкости может привести к уменьшению напряжения Uкэ0VT3. Это, в свою очередь, приведет к смещению нагрузочной прямой к области насыщения транзистора и возникновению нелинейных искажений.

Для предупреждения заметных нелинейных искажений изменение напряжения на емкости за время, равное полупериоду низшей частоты сигнала (fн), не должно превышать . Тогда величина емкости выходного конденсатора должна выбираться из условия

(5.19)

Базовый делитель R, Rб в схеме рисунка 5.9 подключен к коллектору VT3. При этом одновременно с подачей напряжения смещения для транзистора VT1 в схеме возникает общая отрицательная обратная связь (по постоянному и переменному току), которая предназначена для стабилизации режима работы транзисторов VT1 и VT3, уменьшения линейных и нелинейных искажений, а также повышения стабильности коэффициента усиления схемы. Вместе с тем, эта обратная связь (параллельная по способу снятия и подачи), будет уменьшать входное сопротивление и коэффициент усиления по току, что может потребовать установку дополнительного предварительного усилительного каскада.

В схемах, показанных на рисунках 5.8, 5.9 большие значения амплитуд выходного напряжения (Umвых1 = Umб2(3) + Umвых) и выходного тока требуют обеспечить большое значение постоянного коллекторного тока транзистора VT1, работающего в режиме «А».

Таким образом, для получения большой выходной мощности необходимо обеспечить большие значения постоянного тока коллектора и напряжения на переходе к – э транзистора VT1, что приводит к большой потребляемой мощности (рассеиваемой на коллекторе транзистора), большой температуре перехода и, следовательно, большой нестабильности режима работы.

Это не позволяет получение выходной мощности более 2 – 3 Вт.

Для получения больших мощностей применяется схема на составных транзисторах, показанная на рисунке 5.10.

Большое усиление тока и высокое входное сопротивление такого каскада позволяет снизить необходимую для его возбуждения мощность и, следовательно, взять менее мощный транзистор в предвыходном каскаде.

Резисторы R1 и R2 создают отрицательную обратную связь, которая улучшает стабильность рабочей точки транзисторов выходного каскада и уменьшает влияния разброса параметров.

Рисунок 5.10 – Усилитель мощности на составных транзисторах с одним источником питания.

### 5.4. Примеры решения задач

5.4.1. Построить выходные динамические характеристики по постоянному и переменному (при оптимальной нагрузке) току для транзистора выходного однотактного ВКУ на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией с трансформаторной связью с нагрузкой, изображенной на рисунке 5.1. Изобразить треугольники мощности при ξ = ψ = 0,7. Исходные данные: транзистор КТ312Б, Rэ = 560 Ом; Rн = 2кОм; Uкэ0 = 12В; iк0 = 10мА; Еn = 18В; r1 = 40 Ом.

Решение. В соответствии с (5.2), с учетом сопротивления первичной обмотки трансформатора составляем уравнение Кирхгофа по постоянному току для выходной цепи усилителя

Выходная динамическая характеристика по постоянному току строится по двум точкам:

при iK = 0 UK0 = En = 18В;

при UKЭ = 0 iK = En / RH= = 18 / (560 + 40) = 0,03А = 30мА.

Для построения нагрузочной прямой по переменному току на оси напряжений откладывается величина (5.11): Оптимальная нагрузка находится по формуле (5.12). Подставляя (5.12) в (5.11), получаем

### 5.5 Вопросы для самопроверки

1. Назначение выходных (ВКУ) и предвыходных (ПВКУ) каскадов усиле-ния. Какие качественные показатели наиболее важны для этих каскадов и почему?

2. Перечислите режимы работы усилительных элементов, достоинства и недостатки этих режимов. Где находится точка покоя на характеристике прямой передачи для различных режимов работы?

3. Как определить коэффициент полезного действия (КПД) транзистора, работающего в режиме «А», с применением семейства выходных статических характеристик и нагрузочной прямой? Чему равен максимальный (теоретически возможный) КПД для режима «А»? Чем ограничивается КПД в реальных каскадах?

4. Из каких соображений выбирается точка покоя транзистора в режиме «А»? Чем ограничивается область выбора точки покоя?

5. Как определить коэффициент полезного действия (КПД) транзистора, работающего в режиме «В», с применением семейства выходных статических характеристик и нагрузочной прямой? Чему равен максимальный (теоретически возможный) КПД для режима «В»? Чем ограничивается КПД в реальных каскадах?

6. Поясните причины возникновения искажений типа «ступеньки» при ис-пользовании идеального режима «В»? В чем отличие идеального режима «В» от реального (режима «А-В»)? Почему при построении ВКУ применяется именно реальный режим «В»?

7. Чем определяется выбор режим работы транзистора и схемотехника ВКУ?

8. Назначение и виды предвыходных каскадов усиления. Какие требования предъявляются к этим каскадам?

9. Приведите схему выходного однотактного каскада усиления на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией с трансформаторной связью с нагрузкой. Поясните назначение трансформатора, его достоинства и недостатки.

10. Для схемы однотактного ВКУ на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией с трансформаторной связью с нагрузкой покажите, как определяется нагрузка для транзистора по постоянному и переменному току.

11. Для схемы однотактного ВКУ на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией с трансформаторной связью с нагрузкой поясните построение выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых) по постоянному и переменному току. Как изменится нагрузочная прямая по переменному току при увеличении (уменьшении) коэффициента трансформации?

12. Из каких соображений выбирается коэффициент трансформации в каскаде предварительного усиления (при трансформаторной связи с источником) и в выходном каскаде (при трансформаторной связи с нагрузкой)?

13. Что такое «оптимальная нагрузка»? Объяснить зависимость Pн = f1(n) с применением выходных характеристик транзистора и нагрузочных прямых по переменному току.

14. При каких условиях в выходном каскаде усиления можно обеспечить максимальный коэффициент усиления по мощности: а) при трансформаторной связи с источником; б) при трансформаторной связи с нагрузкой.

15. Объяснить причины частотных искажений в выходном трансформаторном каскаде.

16. Изобразить схему двухкаскадного усилителя, состоящего из однотактного предвыходного и двухтактного выходного бестрансформаторного каскадов. Выходной каскад построен на комплементарных транзисторах с двумя источниками питания. Пояснить назначение элементов и принцип работы усилителя.

17. Изобразить схему двухкаскадного усилителя, состоящего из однотактного предвыходного и двухтактного бестрансформаторного выходного каскадов. Выходной каскад построен на комплементарных транзисторах с одним источником питания. Пояснить назначение элементов и принцип работы усилителя.

18. Изобразить схему двухтактного выходного бестрансформаторного каскада на комплементарных транзисторах с одним источником питания. Пояснить назначение выходной разделительной емкости. Объяснить последствия выбора недостаточно большого значения емкости.

19. На выходных статических характеристиках биполярного транзистора изобразить выходную динамическую характеристику (нагрузочную прямую) и показать положение рабочей точки для режима «АВ». Пояснить влияние температуры на режим работы транзистора и форму выходного сигнала.

20. Объяснить назначение терморезистора в схеме двухтактного выходного бестрансформаторного каскада усиления. Можно ли использовать в качестве терморезистора диоды или транзисторы? Объяснить принцип действия термостабилизации.

### 5.6 Тестовые упражнения

1. Для схемы на рисунке 5.11 рассчитать коэффициент трансформации nопт, обеспечивающий оптимальную нагрузку для усилительного элемента и максимальную выходную мощность, если: Еn = 15В; ηтр=0,9; режим покоя транзистора: Uкэ0= 10 В; iк0 = 5мА.

Рисунок 5.11 – Схема усилителя с трансформаторной связью с нагрузкой.

2. Для схемы на рисунке 5.11 рассчитать коэффициент трансформации nсогл, обеспечивающий согласование усилительного элемента с нагрузкой и максимальный коэффициент усиления по мощности, используя следующие исходные данные: ηтр=0,9; выходное сопротивление транзистора Rвых.э = 12 кОм.

3. Для схемы на рисунке 5.11 рассчитать мощность, потребляемую транзистором от источника питания, если iк0 = 5мА; h21э = 100. Активным сопротивлением первичной нагрузки трансформатора можно пренебречь.

4. На рисунке 5.12 приведены выходные статические характеристики бипо-лярного транзистора с оптимальной нагрузочной прямой по переменному току. При коэффициентах использования транзистора по току напряжению 0,7, построить треугольники мощности, определить коэффициент полезного действия транзистора.

Рисунок 5.12 – Выходная оптимальная динамическая характеристика биполярного транзистора по переменному току.

5. Какую функцию не выполняет выходная разделительная емкость в бестрансформаторном каскаде усиления переменного тока на комплементарных транзисторах:

a. отделяет нагрузку по от выходных транзисторов по постоянному току;

b. выполняет функцию источника питания для транзистора нижнего плеча;

c. устраняет отрицательную обратную связь по постоянному току, чтобы не уменьшался коэффициент усиления.