3.5.4. Классы усиления электронных усилителей

Степень нелинейных искажений усиливаемых сигналов и КПД усилительного каскада определяются выбором его режима работы (класса). В зависимости от положения рабочей точки различают три основных режима работы усилительных каскадов: А, В и С.

В режиме класса А (рис.3.24,а) рабочая точка находится приблизительно в центре линейного участка проходной динамической характеристики. Это обусловливает минимальные нелинейные искажения усилителя. КПД усилительного каскада в этом режиме невелик и не превыша­ет 20–30 %. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления и маломощные оконечные каскады.

В режиме класса В напряжение смещения U_вх.0 выбирают таким образом, чтобы рабочая точка находилась почти в самом начале проходной динамической характеристики (рис.3.24,б). При наличии входного сигнала ток в выходной цепи каскада усиления протекает в течение половины периода изменения напряжения сигнала, что определяет его пульсирующую форму с углом отсечки θ = π/2. Режим характеризуется более высоким КПД, достигающим 60–70 %. Вместе с тем, режим класса В отличается относительно большими (по сравнению с классом А) нелинейными искажениями.

Для усиления сигнала в течение всего периода используют двухтактные схемы, когда одно плечо схемы работает в положительный полупериод, а другое – в отрицательный. В режиме В работают каскады мощного усиления (выходная мощность 10 Вт и более).

В некоторых случаях используется режим класса АВ – промежуточный между режимами А и В.

В режиме С напряжение смещения U_вх.0 выбирают таким образом, чтобы рабочая точка находилась левее начала проходной динамической характеристики (рис.3.24,в). Здесь θ < π/2 и КПД достигает 85 %, нелинейные искажения выше, чем в классе В. Режим С применяют в мощных резонансных усилителях.

Кроме того, находит применение режим класса D, иначе этот режим называется ключевым. Управляющий элемент в этом режиме находится либо в состоянии отсечки (ток через элемент равен нулю), либо в состоянии насыщения (напряжение на элементе равно нулю). КПД в этом режиме выше, чем в классе С (он близок к единице). Режим используется в импульсных усилителях.

3.5.5. Подача смещения на вход управляющего элемента

При отсутствии входного сигнала необходимо правильно выбрать начальное положение рабочей точки усилительного каскада – точку покоя. Положение начальной рабочей точки определяется полярностью и значением напряжения смещения на входе управляющего элемента. Значения напряжения смещения на входе обычно лежат в пределах от 0,1 до 1 В. Существует ряд схем, которые позволяют осуществлять подачу напряжения смещения во входную цепь от источника питания выходной цепи. Такие схемы называют схемами смещения фиксированным током или фиксированным напряжением. Рассмотрим их для случая, когда управляющим элементом является биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером.

Подача смещения фиксированным током. В этой схеме (рис.3.25,а) база соединена с минусом источника Е_к через резистор R_б. В режиме покоя напряжение смещения на базе

U_0б = Е_к - I_обR_б,

где ток I_об определяют по входной статической характеристике транзистора, исходя из требуемого положения начальной рабочей точки. Сопротивление базового резистора определяется по формуле:

R_б = (Е_к - U_об)/I_об.

Напряжение U_об << Е_к, поэтому R_б ≈ Е_к/I_об. Отсюда следует, что при установленных значениях Е_к и R_б ток базы I_об ≈ Е_к/R_б останется тем же при замене транзистора или при изменении температуры и др. Значения R_б обычно составляют десятки и сотни килоом.

Аналогично осуществляется подача смещения фиксированным током в схеме с общей базой.

Подача смещения фиксированным напряжением. Напряжение смещения создается делителем напряжения с резисторами R₁ R₂ (рис.3.25,б), через которые проходят токи делителя I_R1 и I_R2. Сопротивления делителя определяются по формулам:

R₁ = (E_к - U_об)/I_R1;

R₂ = U_об/I_R2.

При расчете схемы сопротивления делителя выбираются таким образом, чтобы токи, проходящие через них, были в 3 ÷ 5 раз больше тока I_об. В этом случае изменение тока базы I_об не вызывает ощутимого изменения напряжения смещения, практически оно остается постоянным.