1.2.9. Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от значений постоянного тока и падения на­пряжения на транзисторе усилительного каскада и амплитуды входного усиливаемого сигнала различают основные режимы ра­боты усилительного каскада: А, В, С, D, АВ.

Рисунок 1.19 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаА

_{В режиме класса}Аположение рабочей точки выбирается таким образом, чтобы при движении по линии нагрузки она не заходила в нелинейную начальную область коллекторных харак­теристик и в область отсечки коллекторного тока. На входной характеристике (рис. 1.19, а) рабочая точка выбирается так, что­бы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя располагалось на середине этого линейно­го участка. Амплитуды переменных составляющих входного и выходного токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис. 1.19, б), в режимеАне могут превышать токи покоя и соответственно. Режим классаАхарактеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные ис­кажения сигнала ( ). Режим классаАявляется наименее экономичным в виду того, что полезной является мощность, вы­деляемая в выходной цепи за счет переменной составляющей вы­ходного тока. Потребляемая мощность определяется значительно большими величинами постоянных составляющих , _.

В связи с этим КПД усилительного каскада в режимеА невелик, всегда меньше 40%. Этот режим применяется в тех случаях, ко­гда необходимы минимальные нелинейные искажения, а полез­ная мощность и КПД не являются решающими; это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.

Режим классаВ— это режим работы транзистора, при ко­тором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис. 1.20).

Рисунок 1.20 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаВ

В режиме классаВтранзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки . Углом отсечки называют половину времени периода входного сигнала, в течение кото­рой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя, в пределах 60...70%. Режим классаВприменя­ется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нели­нейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отлича­ется от формы тока, если бы имел место линейный характер ха­рактеристик. В свя­зи с этим режим классаВ характе­ризуется больши­ми нелинейными искажениями сиг­нала ( ), и этот режим ис­пользуется пре­имущественно в мощных двухтакт­ных каскадах усиления, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.

Режим класса АВиспользуется для уменьшения нелиней­ных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 1.21). При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, рав­ный 5... 15% максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в режиме класса АВнесколько больше и достигает 120...130^°.

Рисунок 1.21 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса АВ

_{При работе двухтактных каскадов в режиме} АВпроисходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений( ),полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора. КПД каскадов, работающих в режиме АВ, вы­ше, чем каскадов в классеА, но меньше, чем в классеВ, за счет наличия малого входного тока покоя _.

Режим классаС — это режим работы ак­тивного элемента (тра­нзистора), при кото­ром ток через него протекает в течение времени, меньшего половины периода входного сигнала (рис. 1.22). Угол отсечки меньше , а ток по­коя равен нулю. По­скольку больше половины рабочего вре­мени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, при­ближаясь к 100%.

Рисунок 1.22 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаС

С уменьшением угла отсеч­ки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой. В связи с большими нелиней­ными искажениями режим классаС не используется в усилителях звукового диапа­зона частот, а используется в мощных двухтактных каска­дах усилителей мощности ра­диочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке токпервой гармоники.

Режим класса D— это режим, при котором транзистор на­ходится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закры­том состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряже­ния на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой» ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение на­пряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса Dничтожно малы и КПД каскада приближается к 100%.

Таким образом, режим работы усилителя определяется за­данием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В ре­жиме классаАтранзистор работает без отсечки тока с минималь­ными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.