2.4. 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.2.5,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.2.5,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.2.5,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.

2.5. Обратные связи в усилителях

Обратной связью (ОС) называют передачу части энергии усиливаемо­го сигнала из выходной цепи усилителя во входную.

Замкнутый контур, образуемый основной цепью и цепью обратной связи, охватывающей усилитель, называется петлей обратной связи. Различают однопетлевую (рис.2.6,а) и многопетлевую (рис.2.6,б) об­ратные связи.

Если напряжение ОС U_ос пропорционально выходному напряжению уси­лителя, то речь идет об ОС по напряжению и об ОС по току в случае пропорциональности U_ос току в нагрузке. Кроме того, возможна сме­шанная ОС (одновременно по току и напряжению).

По способу передачи энергии через цепь обратной связи на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС. Чаще всего используют последовательную ОС по напряжению (рис.2.7), т.к. такая связь стабилизирует выходное напряжение усилителя при изменении сопротивления нагрузки, что во многих случаях является желательным.

Основная характеристика обратной связи - коэффициент передачи β, показывающий, какая часть энергии с выхода усилителя передается на его вход. В общем случае коэффициент передачи является величиной комплексной. Для схемы на рис.2.7 имеем

β = U_ос/U_вых.

Действие ОС влияет на величину входного сигнала

U_с = U_вх + βU_вых.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, зависит от дейс­твия ОС. Для схемы на рис.2.7 имеем

К_ос = К/(1 - βК),

где: К - коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

К_ос - коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС.

Если напряжение ОС поступает на вход в противофазе с напряжением входного сигнала, то такая ОС называется отрицательной. В этом слу­чае имеем

К_ос = К/(1 + К).

Таким образом, при отрицательной ОС коэффициент усиления усили­теля уменьшается в 1 + βК раз. При βК >> 1 ОС называется глубокой. Сказанное выше справедливо не только для последовательной ОС по напряжению, но и для всех других видов отрицательной ОС.

Введение отрицательной ОС повышает стабильность коэффициента усиления усилителя при изменении режима усилительного элемента, частоты, амплитуды сигнала и др. Отрицательная ОС позволяет расши­рить полосу пропускания, снижает уровень нелинейных искажений, фон и шумы, возникающие внутри усилителя. В зависимости от типа отрица­тельной ОС можно уменьшать или увеличивать входное и выходное соп­ротивления. Так, введение отрицательной последовательной ОС по нап­ряжению увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление уси­лителя, что в ряде случаев значительно улучшает его показатели. По­этому, отрицательную ОС широко используют в усилителях различного назначения.

Если напряжение ОС поступает на вход усилителя в фазе со входным сигналом, то такая ОС называется положительной. Она приводит к уве­личению коэффициента усиления (в последней формуле знак плюс меня­ется на минус). Положительная ОС в усилителях практически не приме­няется т.к. приводит к ухудшению характеристик усилителя и к его сомовозбуждению. Находит применение в схемах различных электронных генераторов.