3.4. Режимы работы каскада усилителей
В зависимости от выбора исходной рабочей точки на передаточной характеристике различают режимы работы каскада: А, В, АВ, С и О.
Режим А — это режим, при котором исходная рабочая точка р, определяющая состояние схемы при отсутствии сигнала и так называемый ток покоя IКр, располагается примерно на середине линейного участка характеристики (рис. 24). В этом режиме напряжение смещения UБЭр всегда больше амплитуды входного сигнала UБр>Uвхm, а постоянная составляющая коллекторного тока (равная в этом режиме току покоя) больше или примерно равна амплитуде переменной составляющей IК–=IКрIКm.
Рис. 24. Режим А работы усилительного каскада
Синусоидальному входному сигналу соответствует синусоидальный выходной ток, нелинейные искажения — минимальны, но КПД каскада составляет лишь 20—30%, потому что полезная мощность — это мощность только переменной составляющей выходного тока, а потребляемая каскадом от источника питания мощность определяется суммой мощностей как переменной, так и постоянной составляющих выходного тока. Отметим, что каскады предварительного усиления работают в режиме А.
Режим В — это режим, при котором исходная рабочая точка совпадает с началом координат, т. е. ток покоя отсутствует IКр= 0 (рис. 25, а). При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода и имеет форму импульсов с углом отсечки =/2 (углом отсечки называют половину той части периода, в течение которой протекает ток iK). КПД каскада, работающего в режиме В, достигает 60—70%, так как постоянная составляющая коллекторного тока IК– (определяемая по заштрихованной на рисунке площади как среднее за период значение тока iK), значительно меньше, чем в режиме А.
Рис. 25. Режимы работы усилительного каскада:
а — режим В; б — режим АВ; в — режим С
Однако форма импульса iK из-за нелинейного начального участка передаточной характеристики слишком искажена по сравнению с синусоидальным сигналом.
Режим АВ, как видно из рис. 25,б, занимает промежуточное положение. Угол отсечки в этом режиме несколько больше /2 за счет сдвинутой из нуля исходной точки р с помощью тока покоя IKp, составляющего 5—15% от IKm. Такой режим позволяет уменьшить, нелинейные искажения при применении двухтактных выходных каскадов.
Режим С — это режим, при котором ток iK протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т. е. </2 (рис. 25, в). Ток покоя отсутствует. Этот режим используют в мощных избирательных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.
Режим D — это ключевой режим работы, при котором транзистор может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения).
3.5. Выходные каскады усилителей
Выходной каскад предназначен для отдачи заданной мощности в нагрузку, сопротивление которой тоже задано. Так как мощность поступает от источника питания усилителя через выходной каскад, его КПД должен быть высоким, иначе устройство будет неэкономичным, а габаритные размеры (поверхность охлаждения) раздутыми для отвода выделяющейся в каскаде теплоты. Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными.
Однотактный каскад. Все элементы выходного каскада выполняют те же функции, что и в схеме усилителя на биполярном транзисторе. Отличие состоит лишь в том, что вместо резистора RK в коллекторную цепь включена нагрузка и разделительный конденсатор Ср2 отсутствует.
Однотактный каскад, работающий в режиме А, обеспечивает наименьшие нелинейные искажения, но обладает рядом недостатков: а) низким КПД; б) невозможностью его работы в режимах В и АВ из-за больших нелинейных искажений в этих режимах. Из-за этих недостатков однотактные каскады применяют только при относительно небольших мощностях нагрузки.
Двухтактный каскад. Он позволяет избавиться от недостатков, присущих однотактному каскаду. Такие каскады выполняют на транзисторах, включенных по схемам с общим эмиттером или общим коллектором.
Рис. 26. Двухтактные бестрансформаторные каскады на транзисторах, включенных по схемам:
а — с общим эмиттером; б — с общим коллектором
Наиболее просты схемы на транзисторах с разными типами проводимости, т. е. РNР и NРN. Пример такой схемы приведен на рис. 26, а. Каждое плечо каскада представляет собой резистивную усилительную схему на транзисторе с общим эмиттером. Резисторы RБ1 и RБ2 создают смещение с помощью протекающих по ним постоянных базовых токов, но противоположной полярности. Поэтому сигнал Uвх, поступающий через параллельно соединенные разделительные конденсаторы Сp1 и Ср2 на базы обоих транзисторов, складывается с напряжением смещения UБЭр транзистора Т1 в положительный, а транзистора Т2 — в отрицательный полупериоды. Если каскад работает в режиме АВ (или В), то импульсы коллекторных токов iK1 и iK2 имеют вид, приведенный на рис. 27, а, б, а ток в нагрузке (как нетрудно убедиться, учтя полярность источников питания и направления пропускания токов поочередно открывающихся транзисторов) оказывается близким к синусоидальному. При отсутствии синусоидального сигнала Uвх ток в нагрузке I=0, потому что постоянный коллекторный ток, соответствующий исходным точкам транзисторов IKр1=IKр2 (для режима АВ или А), протекает по цепи (+ЕK) – (эмиттер-коллектор Т1) - (коллектор-эмиттер Т2) – (—EK), минуя Rн.
В ряде случаев согласование нагрузки с выходным сопротивлением каскада удобнее получить в схеме транзисторов с общим коллектором (эмиттерных повторителей). Пример такого двухтактного каскада приведен на рис. 26,б. Работа его аналогична работе предыдущего каскада.
Особенно эффективная работа двухтактного каскада в режиме В (или АВ с небольшим смещением).
Рис. 27. Процессы в двухтактном каскаде
В этом режиме плечи каскада работают со сдвигом в полпериода напряжения сигнала, поэтому коллекторные токи iK1 и iK2, имеющие вид полусинусоид с амплитудой IKmах, располагаются во времени, как показано на рис. 27, а, б. Хотя каждое плечо работает с большим искажением синусоидального сигнала, результирующий ток в нагрузке i=iK1 —iK2 (а следовательно, и напряжение на ней) имеет форму, близкую к синусоидальной, как видно на рис. 27, в, с амплитудой равной IKmах.
Оценим энергетические свойства двухтактного каскада. Если принять импульсы коллекторного тока за правильные полусинусоиды с амплитудой IKm, то, как известно из разложения в ряд Фурье, среднее значение коллекторного тока каждого транзистора IKср = IKmах/ и, значит, мощность, потребляемая каскадом от источника питания и пропорциональная сумме токов iK1+iK2 = 2IKср,
Мощность, выделяющаяся в нагрузке,
где UKm — амплитуда переменной составляющей напряжения в коллекторной цепи.
КПД двухтактного каскада в режиме В
Общим недостатком бестрансформаторных каскадов является требование высокой идентичности параметров и характеристик транзисторов с разными типами проводимости.