12.5.2 Режимы работы усилительных элементов

Различают несколько режимов работы усилительных элементов (A, B, AB, C, D и др.), отличающихся друг от друга свойствами, а поэтому имеющих различные области применения. Из выходных статических ВАХ усилительного элемента следует, что для получения заданной начальной рабочей точки (точки покоя), которая практически определяет режим работы усилительного элемента, необходимо обеспечить определенный режим питания усилительного элемента по постоянному току. Рассмотрим особенности отдельных режимов применительно к использованию их в усилительных устройствах.

Режимом класса А называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи существует в течение всего периода сигнала (рис. 12.29). В режиме А точка покоя ТП усилительного элемента находится
	Рис. 12.29

примерно на середине прямолинейного участка зависимости выходного тока от входного напряжения (проходной характеристики); это достигается подачей соответствующего тока или напряжения смещения во входную цепь.

Из рис. 12.29 видно, что в режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока не может быть больше тока покоя; среднее значение выходного токав режимеА почти не зависит от амплитуды входного сигнала и мало отличается от тока покоя .

Основным достоинством режима А является малый коэффициент гармоник вследствие работы усилительного элемента на почти линейном участке его характеристик, в результате чего форма выходного тока почти не отличается от формы входного сигнала. Коэффициент полезного действия режима А, равный отношению отдаваемой усилительным элементом мощности сигнала к мощности, потребляемой им от источника питания выходной цепи, оказывается малым из-за большого тока покоя как при сигнале, так и без него; низкий КПД является основным недостатком этого режима.

Режим А применяют в основном в каскадах предварительного усиления, а также в каскадах мощного усиления небольшой мощности; в каскадах мощного усиления с выходной мощностью выше нескольких ватт режим А не применяют из-за низкого КПД. Режим А можно использовать как в однотактных, так и в двухтактных каскадах.

Режимом класса В называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи существует в течение примерно половины периода сигнала (рис. 12.30).

В режиме В точка покоя усилительного элемента расположена на нижнем конце идеализированной (спрямленной) проходной характеристики, для чего во входную цепь вводят смещение необходимой величины. Здесь напряжение смещения входной цепи примерно равно величине, отсекаемой на горизонтальной оси продолжением спрямленной проходной характеристики.

Рис. 12.30

Для того чтобы охарактеризовать этот режим полнее, введем понятие об угле отсечки. Углом отсечки называют половину той части периода, выраженной в угловых единицах, в течение которой ток сигнала протекает через усилительный элемент. Угол отсечки обозначают через (рис. 12.30); в идеальном режимеВ угол отсечки равен , а выходной ток протекает в течение половины периода. Однако в действительности из-за нижнего изгиба характеристики ток покоя в режимеВ оказывается не равным нулю, а составляет от 5% до 15% максимального значения выходного тока и угол отсечки немного превышает. Из-за последнего обстоятельства этот режим иногда называют режимомАВ, так как он является как бы промежуточным между режимом А и идеальным режимом В.

Вследствие малого тока покоя и меньшего среднего значения тока, потребляемого от источника питания при равной величине первой гармоники выходного тока, КПД каскада, работающего в режиме В, значительно выше, чем при режиме А. В режиме В среднее значение выходного тока почти пропорционально амплитуде входного сигнала и падает до очень малого значения в его отсутствие.

Основным достоинством режима В является малое потребление энергии питания. Это обусловлено не только более высоким КПД по сравнению с режимом А, но также и тем, что потребляемый от источника питания ток сильно уменьшается при слабых сигналах. В результате при усилении сигналов речи и музыки каскад мощного усиления, работающий в режиме В, потребляет в несколько раз меньше энергии от источника питания, чем каскад с такой же выходной мощностью, работающий в режиме А.

Недостатком режима В является то, что усилительный элемент в нем почти полпериода «заперт», а следовательно, усиливает только один полупериод подводимого сигнала. Поэтому в усилителях гармонических сигналов произвольной формы использование режима В возможно лишь в двухтактных схемах, где одно плечо работает при положительном полупериоде, а другое - при отрицательном, в результате чего усиливаются обе полуволны сигнала.

Вследствие использования большого участка характеристик усилительного элемента, включая криволинейный, коэффициент гармоник двухтактного каскада в режиме В оказывается выше, чем в режиме А.

Из-за высокого КПД режим В широко применяется в каскадах мощного усиления, несмотря на необходимость применения двухтактной схемы; каскады мощного усиления с выходной мощностью порядка десятка ватт и выше работают почти всегда в режиме В. В переносных устройствах, питаемых от химических источников тока, применение режима В экономически выгодно даже в каскадах с выходной мощностью в доли ватта.

Режимом С называют такой режим работы, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента течет меньше половины периода сигнала (рис. 12.31).

Рис. 12.31

В режиме С точка покоя ТП располагается на горизонтальной оси, левее точки пересечения спрямленной проходной характеристики с горизонтальной осью, и усилительный элемент в отсутствие сигнала полностью заперт, а при подаче сигнала пропускает ток меньше половины периода (угол отсечки ). В режимеС КПД еще выше, так как потребление питающей энергии меньше, чем в режиме В из-за отсутствия тока покоя и еще большего отношения амплитуды первой гармоники выходного тока к его среднему значению.

Однако использование двухтактной схемы здесь не дает возможности получить в выходной цепи сигнал той же формы, что и подаваемый во входную цепь; кроме того, при использовании режима С происходит ограничение сигнала по минимуму, в результате чего колебания с малыми амплитудами не проходят через усилитель. Из рис. 12.31 видно, что все сигналы с амплитудами напряжения, меньшими , не будут вызывать ток в выходной цепи усилительного элемента. Поэтому в усилителях гармонических сигналов произвольной формы режим С не применяют. Режим С широко применяют в мощных резонансных усилителях (например, в радиопередающих устройствах), где нагрузкой является параллельный резонансный контур, настроенный на частоту подаваемого на вход синусоидального колебания или на одну из его высших гармоник.

Режимом D или ключевым режимом называют такой режим, при котором усилительный элемент во время работы находится: только в двух состояниях: или заперт и текущий через него ток равен нулю, или отперт и падение напряжения между выходными электродами близко к нулю. При этом потери энергии в усилительном элементе очень малы, а КПД оказывается близким к единице (еще выше, чем в режиме С).

Ключевой режим используют лишь для усиления прямоугольных импульсов произвольной длительности и скважности; при этом напряжение усиленных импульсов в выходной цепи получается, практически равным напряжению источника питания и не зависит от амплитуды импульсов на входе усилителя. Такое усиление прямоугольных импульсов с ограничением их по максимуму широко используется в электронно-вычислительных машинах, регулирующих и следящих устройствах, где ключевой режим является наиболее выгодным.

Понятно, что каскад, усилительный элемент которого работает в ключевом режиме, не может усиливать гармонические сигналы. Их необходимо преобразовывать в прямоугольные импульсы постоянной амплитуды, но с длительностями, пропорциональными мгновенному значению напряжения гармонического сигнала. При этом частота следования импульсов должна быть постоянной и значительно превышать максимальную частоту гармонического сигнала. Такой процесс преобразования называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Таким образом, гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада класса D, модулируются. После усиления импульсов, модулированных по ширине, осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал первоначальной гармонической формы. В усилителях класса D используются два режима АD (рис. 12.32а) и ВD (рис. 12.32б).

а	б
Рис. 12.32

Если для осуществления режима АD применяются сравнительно простые электрические схемы, как и для режима А, то режим ВD реализуется с помощью сложных двухтактных схем с двойным управлением усилительным элементом.

Режим Е, как и режим D, позволяет получить высокий КПД (более 90%) в оконечном каскаде усилителя мощности при изменении уровня усиливаемого сигнала в широких пределах. Такой высокий КПД может быть обеспечен в режиме Е только с помощью двухтактных схем, усилительные элементы которых работают с углом отсечки тока (режим В) или чуть больше (режим АВ). Таким образом, высокоэффективными режимами Е могут быть режимы ВЕ или АВЕ.

Сущность режимов ВЕ или АВЕ заключается в том, что точка покоя усилительного элемента не зафиксирована, а изменяет свое положение на ВАХ усилительного элемента в зависимости от уровня усиливаемого сигнала благодаря изменению напряжения на выходе специального регулируемого источника питания таким образом, что падение напряжения на усилительном элементе получается минимальным для активного режима. В результате имеют место минимальные потери напряжения в усилительном элементе, что позволяет получить примерно одинаковый коэффициент использования напряжения независимо от уровня сигнала, а следовательно, и высокий КПД.