2.2. Режимы работы усилительных элементов

В зависимости от того, какую долю периода усиливаемого колебания синусоидальной формы ток протекает через усилительный элемент, различают несколько режимов работы этого усилительного элемента. Эти режимы принято обозначать заглавными буквами латинского алфавита. Рассмотрим их.

Режим А (рис. 2.3). В этом режиме напряжения на р-n-переходе база-эмиттер транзистора выбрано таким образом, что в рабочей точке транзистора поддерживается достаточно большой ток покоя Iко, кроме этого транзистор функционирует только на линейном участке передаточной характеристики, которая представляет собой зависимость тока коллектора (выходной сигнал) от напряжения на базе транзистора (входной сигнал).

Рис. 2.3

В режиме А в цикле изменения входного сигнала отсутствуют такие точки, при которых положительные и отрицательные полуволны входного напряжения относительно напряжения Uбэо в рабочей точке, приводили бы к работе транзистора на нелинейном участке передаточной характеристики.

Коллекторный ток транзистора никогда не достигает точек, при которых транзистор может перейти в режимы отсечки или насыщения.

Главное достоинство усилителей, работающих в режиме А состоит в том, что им свойственен относительно малый уровень искажений выходного сигнала. Форма выходного сигнала полностью повторяет форму входного сигнала, только в усиленном виде. Это достигается работой усилительного элемента только на линейном участки передаточной характеристики прибора.

Недостатком усилителей, работающих в режиме А, является свойственный им малый КПД. Редко когда КПД в них достигает уровня 35%. Например, если подводимая к усилителю мощность равна 1Вт, то выходная мощность будет всего 0,3Вт. Полный размах напряжения выходного сигнала в усилителях, работающих в режиме А ограничен значениями напряжений меньших, чем величина Еп. Поскольку выходное напряжение должно изменяться от отрицательного к положительному, то Uкэо в ИРТ выбирают на уровне Еп/2. Пусть Еп = 20 В, тогда Uкэо = 10 В. Размах выходного напряжения не может превышать величину 10 В. Если же ко всему этому надо обеспечить и малые нелинейные искажения, то выходное напряжение будет порядка 5 В. Это необходимо выполнить для обеспечения работы транзистора на линейном участке передаточной характеристики.

Если размах входного напряжения в усилителях, работающих в режиме А, ограничен размахом выходного напряжения на уровне 5 В, а а коэффициент усиления по напряжению имеет видКu = 100, то напряжение входного сигнала не может превышать величины 0,05 В.

С учетом отмеченных недостатков усилители, работающие в режиме А, используются в основном в качестве усилителей напряжения, а не мощности. Основное требование, которое предъявляется к этим усилителям это усиление входного сигнала с минимальными искажениями. В связи с этим они применяются как правило в предварительных, измерительных и т.д. усилителях. Очень редко можно встретить, что транзисторы работают в режиме А в оконечных каскадах усилителей.

Режим В (рис. 2.4). В этом режиме напряжение смещения на р-n-перехода база-эмиттер транзистора выбирается таким образом, что рабочая точка транзистора совпадает с точкой отсечки транзистора. При использовании в усилителе транзистора n-р-n-типа это означает, что на базе транзистора сформировано более отрицательное напряжение, чем для усилителей класса А. При использовании в усилителе транзистора р-n-p -типа это обозначает, что на базе транзистора сформировано более положительное напряжение, чем для усилителей, работающих в режиме А. В любом случае для достижения работы усилителя режима В необходимо приложить к базе транзистора меньшее напряжение смещения, чем для режима А.

Рис. 2.4

Применительно к режиму В на рис.2.4 представлено распределение напряжений и токов на электродах транзистора (применительно к транзистору n-р-n-типа). В течение и в соответствии с поведением положительной полуволны входного сигнала коллекторный ток транзистора сначала возрастает, достигает своего максимального значения, а затем снижается до нуля. Во время отрицательной полуволны входного сигнала ток коллектора отсутствует, поскольку р-n-переход база-эмиттер транзистора смещен в обратном направлении напряжением, во много раз превышающим напряжение отсечки транзистора. Следовательно, ток коллектора транзистора протекает только за время действия одного полупериода входного сигнала. Половина длительности полупериода входного тока транзистора, выраженная в радианах или градусах угла текущей фазы t называется углом отсечки  . В режиме В =/2.

Если в усилителях, работающих в режиме В, используется только один транзистор, то в результате этого возникают огромные искажения, поскольку усиливается только одна полуволна входного сигнала. В этом случае отсутствует соответствие между выходным и входным сигналами.

В тоже время, используя два транзистора в одном каскаде (двухтактное включение), когда один транзистор усиливает отрицательную, а второй положительную полуволны входного сигнала, достигается полное соответствие с формой входного сигнала.

Максимальный размах выходного напряжения в усилителях, работающих в режиме В, лишь ненамного меньше величины напряжения источника питания. Это достигается тем, что в этих усилителях выходное напряжение появляется только при действии положительной полуволны входного сигнала. В этом случае имеется возможность обеспечить работу транзисторов при более высоких значениях тока (мощности), в сравнении с усилителями, работающими в режиме А. К.П.Д. усилителей, работающих в режиме В, достигает 70%, что существенно выше, чем у усилителей, работающих в режиме А.

Соединение усилителей класса В по двухтактной схеме позволяет получить удвоенное выходное напряжение и мощность. Усилители класса В больше являются усилителями мощности, чем напряжения. Управление этими усилителями осуществляется с выхода усилителя, работающего в режиме А.

Достоинством усилителей, работающих в режиме В, является высокий КПД.

Недостаток усилителей, работающих в режиме В состоит в том, что, из-за кривизны начального участка передаточной характеристики транзистора, в нижней части выходных импульсов заметны сильные искажения. Это вызывается тем, что происходит прерывание тока коллектора транзистора, соответственно появляются дополнительные искажения, обусловленные переходными процессами. На высоких частотах эти искажения проявляются достаточно сильно, что ограничивает диапазон усиливаемых частот. Эти искажения характерны для всех усилителей, работающих с отсечкой.

Усилители, работающие в режиме В наиболее эффективны при построении усилителей звуковых частот, поскольку ток коллектора транзистора отсутствует при отсутствии входного сигнала. Однако при работе этих усилителей возникают переходные искажения. При работе в чистом режиме В транзистор остается в отсечке при очень низких уровнях входного сигнала (т.к. в области отсечки транзисторы имеют малый коэффициент усиления по току) и резко включаются при большом уровне входного сигнала. Например для кремниевых транзисторов при Uбэ < 0,65 В проводимость и соответственно коллекторный ток транзистора практически отсутствуют. Именно в момент, когда одни транзистор прекращает проводить ток, а второй транзистор только начинает, форма выходного напряжения искажается из-за наличия области отсечки. Кроме этого явление отсечки приводит не только к этим искажениям, но может привести и к разрушению транзисторов из-за скачков напряжения на выходе усилителя (например, трансформаторные схемы) выше напряжения Еп. Подобные искажения сводят к минимуму в усилителях, работающих в режиме АВ.

Режим АВ. На рис. 2.5. представлена передаточная характеристика транзистора и выбор рабочей точки в режиме АВ.

В усилителях, работающих в режиме АВ, рабочая точка на передаточной характеристике выбирается примерно на середине начального криволинейного участка. В результате этого угол отсечки () становится несколько больше 90°. Этот режим широко применяется при построении усилителей звуковых частот по двухтактной схеме. Из-за выше отмеченного выбора положения рабочей точки, через оба транзистора протекает начальный коллекторный ток покоя (Iко). Следовательно, в подобных схемах при малых уровнях входного сигнала отсутствует резкое изменение коэффициента усиления по току, т.е. передаточная характеристика пары транзисторов приобретает линейный характер д достаточно широком диапазоне изменения входного напряжения и выходного тока (рис.2.6).

Рис. 2.5

В результате получения передаточной характеристики двух транзисторов близкой к линейной, выходной сигнал становится близкой копией входного, по крайней мере, до того момента пока переходная точка представляет интерес.

Конечно КПД усилителей, работающих в режиме АВ несколько меньше, чем у усилителей, работающих в режиме В. Однако эти усилители имеют существенное преимущество, определяемое отсутствием нелинейных искажений, вызванных кривизной начального участка переходной характеристики.

Рис. 2.6

Режим С. В усилителях, работающих в режиме С, р-n-переход база-эмиттер транзистора исходно смещен в обратном направлении и соответственно транзистор находится в "глубокой" отсечке. В течение положительной полуволны входного сигнала выходной ток начинает протекать с нулевого значения, а затем достигает максимальной величины и вновь спадает до нуля. Часть входного напряжения участвует в формировании напряжения смещении в прямом направлении р-n-перехода база-эмиттер транзистора и соответственно в формировании выходного тока участия не принимает. В результате этого обеспечивается ток коллектора транзистора только для части полуволны входного сигнала. Соответственно форма выходного тока представляет собой импульс с шириной меньше ширины полуволны входного сигнала (</2).

Форма выходного сигнала в усилителях, работающих в режиме С, не совпадает с формой входного даже в двухтактных схемах. В результате этого область применения этих усилителей ограничена несмотря на их более высокий КПД в сравнении с усилителями классов В и АВ. Они могут использоваться там, где проблема нелинейных искажений не стоит столь остро, а вопросы экономичности более существенны. Это, например, радиопередающие устройства, усилители радиочастот, а также в других усилителях с повышенным КПД

Режим D. Транзисторы в усилителях, работающих в режиме D, работают в ключевом режиме. На вход усилителя подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью отпирающие и запирающие транзистор. Таким образом, транзистор всегда находится в одном из двух состояниях: открыт, либо закрыт. Потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы, соответственно достигается очень высокий КПД. В запертом состоянии практически отсутствует ток коллектора транзистора, соответственно мощность, потребляемая транзистором, стремится к нулю. В открытом же состоянии при большом токе коллектора транзистора напряжение между коллектором и эмиттером транзистора мало и

составляет величину напряжения насыщения (Uнас) (рис. 2.7). При малых токах коллектора транзистора величина этого напряжения небольшая. При возрастании тока коллектора она несколько возрастает. Но в тоже время величина этого напряжения существенно меньше амплитуд сигнальных напряжений.

Рис.1.16.