Однотактный каскад усиления мощности

Каскады мощного усиления должны отдавать в нагрузку заданную мощность, поэтому используется весь размах характеристики транзистора (из-за больших амплитуд) с заходом на нелинейный участок. Один из основных показателей – коэффициент нелинейных искажений.

Нелинейные искажения возникают во входной (нелинейность входных характеристик) и в выходной (нелинейность выходных характеристик) цепях.

Учесть эти нелинейности позволяет сквозная характеристика , которую можно построить по точкам входной и выходной характеристик. Строится нагрузочная прямая по переменному току. Для каждой точки находятся значения i_к и i_б. По входной характеристике находятся значения . Для каждой точки вычисляются значения . По этим точкам строится сквозная характеристика как зависимость . По сквозной характеристике, построенной таким образом, можно определить влияние второй гармоники. Ток коллектора

.

Рассмотрим различные моменты времени.

1) Ток коллектора ;

2) Ток коллектора ;

3) Ток коллектора

Из этих уравнений можно найти значения среднего тока коллектора , амплитуду первой гармоники тока коллектора  и амплитуду второй гармоники тока коллектора . Тогда коэффициент гармоник

Метод трех ординат дает сведения о влиянии только второй гармоники. Чтобы учесть гармоники более высокого порядка (третью и четвертую), пользуются методом пяти ординат, при котором на характеристике берется пять точек.

Согласование с нагрузкой осуществляется с помощью трансформатора, коэффициент трансформации которого, где  и  число витков соответственно в первичной и вторичной обмотках. Сопротивление нагрузки, пересчитанное к первичной обмотке , откуда ,  находится ниже из электрического расчета. С учетом КПД трансформатора

, .

Каскад работает в режиме А.

Ток существует во время всего периода.

В режиме В происходит отсечка тока. Ток существует только во время угла отсечки коллекторного тока. В режиме В . Реально , что соответствует режиму АВ.

Необходимо рассмотреть энергетические соотношения в каскаде. Рассмотрим семейство выходных характеристик.

1) Проведем нагрузочную прямую по постоянному току. Так как по постоянному току нагрузкой транзистора является первичная обмотка трансформатора, чье сопротивление очень мало, то прямая вертикальна

( )

2) Выбираем рабочую точку О в середине характеристик.

3) Построим нагрузочную характеристику по переменному току из условия максимального использования характеристик транзистора. Наклон нагрузочной прямой определяет сопротивление нагрузки по переменному току:

,

если это значение сильно отличается от заданного , применяется трансформатор. Значение тока  должно быть меньше допустимого значения для данного транзистора.

4) Коэффициенты использования коллекторного тока и напряжения:

, .

5) Колебательная мощность: .

6) Потребляемая мощность: .

7) КПД каскада: . Т. е. КПД каскада при пиковой мощности может достигать . Среднее значение КПД составляет всего 2-4%.

Потребляемую мощность можно представить в виде суммы двух составляющих: колебательной  и рассеиваемой на коллекторе  мощностей:

.

Потребляемая мощность – величина постоянная, максимальная рассеиваемая – в режиме молчания, когда , . Транзистор выбирается по допустимой мощности .

Основной недостаток режима А – неполное использование транзистора: .

Для рабочей схемы необходимо выбрать напряжение питания . У транзистора существует параметр – допустимое напряжение на коллекторе ( ). В режиме А необходимо, чтобы  . Для расчета необходимо знать входное сопротивление и входную мощность транзистора. Входное сопротивление

,

входная мощность

Удвоенные значения амплитуд берутся, так как рабочая точка расположена несимметрично на характеристике.Нелинейные искажения можно определить, построив сквозную характеристику и рассчитав коэффициент гармоник методом трех или пяти ординат. В случае пяти ординат можно определить коэффициент гармоник с учетом первых четырех гармоник:

.

Для различных схем включения зависимости коэффициента гармоник от сопротивления генератора различны.

В схеме с общей базой нелинейные искажения меньше, так как в этой схеме есть отрицательная обратная связь по току на сопротивлении генератора, чем оно больше, тем глубже ОС, тем меньше нелинейные искажения. Схема с общим коллектором требует большего входного напряжения, так как напряжение в данной схеме не усиливается, малые искажения возможны при малых сопротивлениях генератора. Схема применяется в безтрансформаторных каскадах.