1.4. Классификация усилителей

Усилители в электронике предназначаются для усиления на­пряжения или мощности сигнала до уровня, который требуется для нормальной работы подключенного к усилителю устройст­ва: следующего каскада усилителя, громкоговорителя, записы­вающей головки и т. п. Усилители подразделяются на усилите­ли, напряжения и усилители мощности, а также на усилители малых и больших сигналов. В зависимости от частоты усили­ваемых сигналов и выполняемой функции их называют усилителями низкой частоты (УНЧ), усилителями промежуточной ча­стоты (УПЧ), усилителями радио- или высокой частоты (УВЧ) и т. д.

Усилители также различают по их рабочим характеристи­кам, зависящим от режима работы, — от соотношения между уровнем установленного напряжения смещения и амплитудой входного сигнала. В этом смысле различные классы усилителей обозначают символами А, АВ_Ь АВ₂₎ В и С. В ламповых усили­телях эти символы указывали режимы работы с сеточными токами и без них. Так, символ ABi означал, что потенциал сет­ки в процессе работы всегда отрицателен по отношению к ка­тоду, а символ АВ₂ указывал на то, что при максимальном; входном сигнале потенциал сетки мог быть умеренно положи­тельным. В основном эта классификация сохранена и для тран­зисторных усилителей, но здесь определяющим признаком яв­ляется относительная величина амплитуды входного сигнала.

Усилители низкой частоты класса А могут быть однотакт-ными (на одном транзисторе) или двухтактными (на двух тран­зисторах). Усилители НЧ класса ABi предпочтительнее соби­рать по двухтактной схеме. Что касается усилителей классов-АВ₂ и В, то их необходимо выполнять по двухтактной схеме для снижения нелинейных искажений до допустимого уровня.

Усилители высокой частоты всех классов могут быть как одно-, так и двухтактными, поскольку резонансные цепи таких усилителей хорошо подавляют гармонические составляющие, лежащие вне полосы пропускания усилителей.

В усилителях класса А рабочая точка транзистора устанав­ливается примерно в середине линейной части линеаризован­ных выходных характеристик транзистора. (Рабочая точка оп­ределяет ток транзистора при отсутствии сигнала. — Прим.. ред.) Амплитуда входного сигнала не должна превышать уров­ня, при котором изображающая точка усилителя заходит в не­линейные (искривленные) области выходных характеристик транзистора. В этом случае нелинейные искажения минималь­ны и форма выходного сигнала наиболее близка к форме сиг­нала на входе. Усилитель класса А потребляет ток даже при отсутствии входного сигнала. Поэтому к. п. д. усилителя (отно­шение мощности выходного сигнала к потребляемой мощности) низок и в большинстве случаев составляет 20 — 25% при макси­мальном сигнале. Таким образом, по сравнению с другими ти­пами усилителей усилители класса А имеют малые нелинейные искажения и небольшую выходную мощность.

Если амплитуда входного сигнала настолько велика, что изображающая точка усилителя достигает границ областей отсечки и насыщения, полагают, что усилитель работает в ре­жиме класса АВ,. К. п. д. усилителя класса AB_t достигает 35% (он зависит от величины напряжения смещения, амплитуды входного сигнала и усилительных свойств транзистора). Если же при наибольшей амплитуде входного сигнала изображаю­щая точка незначительно заходит в области отсечки и насыще­ния, то такой режим работы соответствует режиму работы уси­лителя класса АВ₂. В усилителях класса АВ₂ (обычно также и класса ABi) напряжение смещения устанавливают таким, что-бы рабочая точка на выходных характеристиках транзистора находилась посредине между напряжениями отсечки и насыще­ния транзистора. К. п. д. усилителя класса АВ₂ колеблется от 35 до 50%, причем, как и в усилителях класса АВ₁, к. п. д. за­висит от величины напряжения смещения, характеристик вы­бранного транзистора и амплитуды сигнала. Нелинейные иска­жения в усилителях класса ABj, и особенно класса АВ₂, выше, чем в усилителях класса А, поскольку в них в процессе работы изображающая точка заходит в нелинейные участки характери­стик транзисторов.

В усилителях класса В напряжение смещения устанавлива­ется равным или почти равным напряжению отсечки. Следова­тельно, в однотактном усилителе такого типа усиливается толь­ко одна (отпирающая) полуволна переменного входного сиг­нала, так как при другой (запирающей) полуволне изобража­ющая точка попадает в зону отсечки; при отпирающей полу­волне сигнала эмиттерный переход находится в состоянии про­водимости. Поэтому для усиления всего входного сигнала не­обходимо использовать двухтактную схему построения усили­теля. В усилителях же высокой частоты запирающая полуволна сигнала воспроизводится благодаря колебательным свойствам резонансных цепей. Следовательно, в этом случае можно при­менять и однотактные усилители, хотя предпочтение отдается двухтактным каскадам (см. разд. 1.11).

В хорошо сбалансированном двухтактном усилителе класса В нелинейные искажения могут быть снижены до уровня, срав­нимого с уровнем искажений в усилителе класса АВ₂. При максимальном входном сигнале к.п. д. усилителя класса В со­ставляет 60 — 70%; при этом достигается также хороший коэф­фициент усиления по мощности.

Характеристики усилителей класса С таковы, что их приме­няют только в ВЧ-усилителях мощности, преимущественно в каскадах передатчиков. Надлежащим смещением рабочая точ­ка устанавливается ниже уровня отсечки тока транзистора. Так как напряжение смещения может быть в два или три ра­за больше напряжения отсечки, то на вход усилителя следует подавать сигнал большой амплитуды. Поскольку напряжение смещения больше напряжения отсечки, коллекторный ток течет лишь в течение части полупериода входного сигнала.

Поэтому к.п.д. такого усилителя высок и может достигать 90%. Величина к.п.д. зависит от типа используемого мощного тран­зистора, величины управляющего сигнала и постоянных напря­жений, определяющих режим работы усилителя.

В ВЧ-усилителях класса С обычно применяются резонанс­ные LC-цепи. При максимальном токе сопротивление коллек­торного перехода транзистора мало, в то время как сопротив­ление параллельного колебательного контура при резонансе велико. Поэтому большая часть энергии выделяется в колеба­тельном контуре, а потери энергии малы, что обеспечивает вы­сокий к.п.д. усилителя класса С.