3.6. Режимы работы усилительных каскадов
В зависимости от положения рабочей точки а в режиме покоя на семействе выходных характеристик транзисторов и уровня входных сигналов (ивх, івх) различают три основных режима (или класса) работы усилителей: А, В и С.
Класс А характеризуется тем, что рабочую точку а выбирают посередине участка bс линии нагрузки (рис. 3.11, а), а максимальное значение амплитуды переменной составляющей входного тока (тока базы іБ) не приводит к увеличению тока коллектора іК за пределы участка bс. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого сигнала будут минимальными, т.е. при подаче на вход синусоидального напряжения (тока) форма выходного напряжения ивых будет практически синусоидальной. Основной недостаток этого класса усиления - очень низкий КПД:
Для работы усилителя в режиме В рабочую точку а' устанавливают на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики транзистора при ІБп = 0 (рис. 3.11,б). В этом режиме переменные составляющие тока івых,, и напряжения ивых возникают лишь в положительные полупериоды тока базы іБ. При синусоидальном входном напряжении (токе) выходное напряжение иК имеет форму полусинусоид, т. е. нелинейные искажения очень большие. Этот режим часто используют в двухтактных усилителях мощности. КПД усилителя, работающего в режиме В может достигать 0,8.
Иногда используют режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. В этом режиме КПД усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.
В режиме С рабочая точка выбирается за точкой отсечки d'(см. рис. 3.11, б) и ток іК (напряжение иК) в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительной полуволны входного тока базы іБ (рис. 3.11, в). В этом режиме усиления возникают очень большие искажения усиливаемого напряжения (тока), но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С используют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых звеньев выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения иК.
3.7. Каскадное соединение усилителей
Каскадное (последовательное) соединение усилителей используют для получения заданных высоких коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности, которых невозможно достигнуть с помощью одного усилительного каскада. Структурная схема многокаскадного усилителя представлена на рис. 3.12, а.
При каскадном соединении применяют различные схемы связи между каскадами, назначение которых состоит в согласовании напряжений, соответствующих режимам покоя предыдущего и последующего усилителей. При этом должны выполняться соотношения:
где m и m + 1 - номера предыдущего и последующего каскадов.
На рис. 3.12 представлены наиболее часто используемые виды связи: непосредственная (б), резисторная (в), ёмкостная (г) и трансформаторная (д). Коэффициент усиления по напряжению каскада
3.8. Усилители мощности на транзисторах
Усилители мощности предназначены для отдачи максимальной мощности в заданную нагрузку при допустимых нелинейных и частотных искажениях. Они содержат один или несколько каскадов усиления. Выходной (оконечный) каскад работает в режиме больших сигналов и, следовательно, потребляет большую мощность от источника питания. Он должен иметь достаточно высокий КПД.
Выходные каскады выполняют на специальных мощных транзисторах, включенных обычно по схеме с общим эмиттером. Согласование выходного сопротивления усилителя Rвых с сопротивлением нагрузки Rн обеспечивают с помощью трансформатора, коэффициент трансформации которого рассчитывают по формуле:
где w1, w2- число витков первичной и вторичной обмоток форматора; η- КПД трансформатора.
Выходные каскады усилителя мощности выполняют по однотактной и двухтактной схемам.
Маломощные однотактные усилители мощности (рис. 3.13, а) обычно работают в режиме класса А. По постоянному току сопротивление в коллекторной цепи транзистора VТ определяется только сопротивлением первичной обмотки трансформатора Тр. По переменному току транзистор VТ нагружен на оптимальное сопротивление, что достигается соответствующим выбором коэффициента трансформации п = w1 / w2 трансформатора Тр. Максимальная мощность отдается каскадом при эффективном использовании транзистора как по току, так и по напряжению.
Схема двухтактного усилителя мощности (рис. 3.13.б), работающего в режиме В содержит два транзистора VТ1 и VТ2 разных типов проводимости, с близкими характеристиками, работающими по очереди (каждый в своём полупериоде), так как напряжения и2' и и2'' вторичной обмотки трансформатора Тр1 подаются в противофазе на транзисторы VТ1 и VТ2. Трансформатор Тр2 обеспечивает связь с нагрузкой Rн.
Режимы В работы транзисторов достигаются выбором небольшого напряжения смещения с помощью резисторов RБ1 и RБ2 для попадания в точку а', где в режиме покоя отсутствует входной ток базы. Транзисторы в режиме В эффективно используются по току и напряжению. При этом КПД двухтактного усилителя может достигать 78%.
При большой мощности, выделяемой в виде тепла на коллекторах транзисторов, используют радиаторы для отвода избыточного тепла, которое не могут рассеивать транзисторы непосредственно.
С разработкой интегральных схем усилителей мощности и дискретных мощных транзисторов появилась возможность изготовления бестрансформаторных усилителей мощности (рис. 3.14, а). Совместное применение разнотипных транзисторов позволяет существенно упростить схему усилителя. В схеме используется последовательное включение выходных цепей с источником питания Uп и параллельное включение входов. По переменному напряжению выходы транзисторов через конденсатор С параллельно соединены между собой и с нагрузкой Rн. При положительной полуволне напряжения в усилении участвует транзистор VТ1, при отрицательной полуволне - транзистор VТ2. Выходная мощность усилителя может быть рассчитана по формуле
В рассматриваемом усилителе используется один источник питания Uп, . что является его достоинством, а недостаток устройства - наличие большой ёмкости С (2÷4 мФ).
Избежать этого недостатка позволяет выполнение схемы усилителя мощности с двумя источниками питания (рис. 3.14, б). В таком усилителе используются однотипные транзисторы, для управления которыми требуются фазоинверсные каскады на входах. При этом транзисторы включены разными способами: VТ1- по схеме с общим коллектором; VТ2 - по схеме с общим эмиттером.
Так как усилительные свойства транзисторов при разных способах включения различны, необходимо принять меры для выравнивания коэффициентов усиления обеих полуволн входного сигнала. При одинаковых транзисторах это может быть достигнуто выбором необходимых величин ивх1 и ивх2