ЛЕКЦИЯ 8. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

П л а н л е к ц и и

8.1. Понятие о классах усиления.

8.1.Понятиеоклассахусиления.

Взависимости от значения и знака напряжения смещения Uсм и напряжения сигнала Uс в схеме транзисторного каскада, приведенного на рис. 7.1, возможно несколько принципиально различных режимов его работы, называемых классами усиления. Для обозначения различных классов усиления используются прописные латинские буквы. Рассмотрим их подробнее.

Класс усиления А. Режим работы транзисторного каскада, при

котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса А. Характерной чертой этого режима является выполнение условия ∆Iк < Iкп, для обеспечения которого напряжение Uсм применительно к схеме на рис. 7.1 должно быть положительным и превосходить максимальную амплитуду напряжения Uс.

Максимальная амплитуда выходного сигнала в данном режиме может достигать значения близкого к Uп/2. Для этого необходимо, чтобы Uкэ п = Uп/2 или Iкп = Uп/2Rк. Используя характеристики каскада, приведенные на рис. 7.2, можно легко найти напряжение Uсм и допустимый диапазон изменения входного сигнала, обеспечивающие получение максимальной амплитуды выходного сигнала при условии минимальных его искажений. Последнее является характерной чертой класса А. Для этого по характеристике на рис. 7.2, б находят ток базы, соответствующий началу линейного участка входной характеристики транзистора. По выходным характеристикам транзистора (рис. 7.2, а) определяют коллекторный ток транзистора и его напряжение Uкэ, соответствующие найденному току Iб min (Iк min и Uкэ max). По этим же характеристикам определяют максимальный коллекторный ток транзистора, соответствующий границе его активного режима работы и режима насыщения (точка А пересечения нагрузочной прямой с характеристикой

Uкб = 0), т. е. Iк max. Искомый ток покоя коллектора будет равен полусумме найденных значений:

а максимальная амплитуда выходного тока – полуразности этих значений:

ЛЕКЦИЯ 8. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

8.1. Понятие о классах усиления.

По найденным значениям Iкп и ∆ Iк max для известного значения h21э

находят Iбп, ∆Iб max, Uбп и ∆Uбэ max.

Таким образом, класс усиления А имеет место при выборе рабочей

точки Т в средней части нагрузочной характеристики выходной цепи транзистора (рис. 7.2, а). Этот режим характерен тем, что форма выходного сигнала Uвых повторяет форму входного сигнала Uвх за счет работы транзистора в активной области без захода в области насыщения и отсечки. При этом транзистор, как видно из рисунка, работает в линейной области, что объясняет минимальное нелинейное искажение усиливаемого сигнала. В то же время работа усилителя в классе А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током Iкп в цепи Rк вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала, в результате чего в транзисторе рассеивается мощность Ркп = IкпUкп. В связи с этим режим усиления А используют лишь в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых, как правило, важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение КПД не играет решающей роли.

Класс усиления В. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется

режимом усиления класса В. Данный режим соответствует выбору Uсм = 0.

При этом Iкп = Iк min ≈ 0 и Uкэ п = Uп – Iк min Rк ≈ Uп. Из сказанного следует, что мощность, рассеиваемая в каскаде при условии Uс = 0, практически также

равна нулю, так как транзистор находится в режиме отсечки.

Таким образом, класс усиления В имеет место при смещении рабочей точки Т в нижний участок линии нагрузки (рис. 7.2). Это способствует предельному снижению тока Iбп, обусловливая существенное улучшение энергетических показателей каскада за счет значительного (по сравнению с режимом класса А) снижения мощности, рассеиваемой в транзисторе в режиме покоя. Поэтому класс В предпочтительнее для использования в усилителях средней и большой мощности. В этом режиме значение КПД каскада можно довести до 0,7 и более (при мощн ости, рассеиваемой в транзисторе, менее 0,25 от максимума полезной мощности в нагрузочном устройстве). Вместе с тем в классе В наблюдается усиление лишь одной положительной полуволны усиливаемого сигнала Uвх, и потому выходной ток Iк имеет прерывистый характер.

Для усиления как положительной, так и отрицательной полуволны входного сигнала применяют двухтактные усилители, работающие в классе усиления В (рис. 8.1, а). Здесь при положительной полуволне входного сигнала открыт транзистор VT1 n–p–n-типа, а при отрицательной полуволне – транзистор VT2 (р–n–р-типа). В нагрузочное устройство с сопротивления Rн поступает усиленный сигнал обоих полупериодов. Как правило, двухтактные

ЛЕКЦИЯ 8. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

8.1. Понятие о классах усиления.

усилители изготовляют в виде ИС, в едином кристалле полу проводника, что позволяет обеспечивать идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2.

Rн

Iк max

VT2 – +

Рис. 8.1. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности (а) и временные диаграммы (б), поясняющие ее работу (VT1 – n–p–n, VT2 – р–п–р)

Основным недостатком усилителей, работающих в классе В, являются значительные нелинейные искажения выходного напряжения. Проиллюстрируем сказанное с помощью входной характеристики транзистора, показанной на рис. 8.1, б. Предположим, что на вход каскада подано напряжение Uвх = Um sin ώt. Так как Uсм = 0, то ток коллектора транзистора будет изменяться только для интервала Uвх > 0. При этом из-за существенной нелинейности начального участка входной характеристики транзистора коэффициент пропорциональности между входным и выходным напряжениями не будет оставаться постоянным. На интервале 0–t1 и t2–Т/2, где Uвх < Uбэ пор, ток коллектора транзистора будет изменяться существенно медленнее, чем на интервале t1–t2. Это приведет к п оявлению на выходе типичных искажений, получивших название «ступеньки». Большие искажения усиленного сигнала являются причиной того, что класс усиления В практически не используется в усилителях.

Устранить указанный недостаток усилителей класса В можно, введя в

каскад небольшое напряжение смещения. Если Uсм = Uбэ пор, то причина появления «ступеньки» в выходном напряжении устраняется. При этом в выходной цепи транзистора начинает протекать некоторый ток покоя. Однако этот ток, как правило, существенно меньше максимального тока

ЛЕКЦИЯ 8. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

8.1. Понятие о классах усиления.

коллектора (Iкп ≈ 5–10 % IК max), что позволяет обеспечить высокий КПД каскада.

Класс усиления АВ. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса АВ.

Таким образом, в режиме усиления класса АВ Uсм = Uбэ пор > 0. Такой режим работы нашел широкое применение при построении выходных каскадов усилителей мощности, так как при высоком КПД они обеспечивают получение небольших искажений выходного сигнала.

На практике встречаются случаи, когда нагрузкой транзисторного каскада является колебательный контур, в котором необходимо обеспечить поддержание незатухающих колебаний, например выходные каскады передающих устройств. Для поддержания колебаний транзистор должен обеспечивать «подкачку» в контур энергии, рассеивающейся на его активных элементах. При больших добротностях контура эта энергия может быть существенно меньше энергии собственных колебаний, и для ее восстановления достаточно подключение внешнего источника питания на время, меньшее половины периода колебаний. Реализовать такой режим работы можно, если на вход каскада, показанного на рис. 7.1 подать напряжение смещения, удовлетворяющее условию Uсм < 0.

Класс усиления С. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале, меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется

режимом усиления класса С.

В режиме класса С транзистор больше половины периода находится в состоянии отсечки (точка Б на рис. 7.2, а), и его ток мало отличен от нуля. Этот режим соответствует расположению точки покоя в области отсечки и находит широкое применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередающих устройствах).

Во всех рассмотренных ранее режимах работы максимальный входной ток, а следовательно, и входное напряжение ограничиваются величинами, соответствующими границе между активным режимом работы и режимом насыщения.

В этом случае Iвх max < (Uп – Uкэ п)/(Rкh21 Э), а Uвх mах может быть определено по известному току Iвх max, т. е. во всех рассмотренных режимах

работы рабочая точка на выходных характеристиках каскада (рис. 7.2, а) не заходит правее точки Б и левее точки А.

Общим для всех рассмотренных режимов работы является также тот факт, что усиление входного сигнала сопровождается потерями мощности в транзисторе усилительного каскада. Абсолютная величина этих потерь для различных классов усиления различна, но они не могут быть сведены к нулю. Это вытекает из того, что сам процесс усиления связан с перераспределением напряжения (мощности) между транзистором и нагрузкой.

ЛЕКЦИЯ 8. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

8.1. Понятие о классах усиления.

На выходных характеристиках каскада (рис. 7.2, а) существуют только две области, для которых можно считать, что мощность, выделяющаяся в транзисторе, теоретически равна нулю. Это точка Б, соответствующая режиму отсечки (цепь нагрузки практически разорвана – выключена), и точка А, соответствующая режиму насыщения биполярного транзистора (цепь нагрузки непосредственно подключена к источнику питания – включена). В этих областях потери, существующие в транзисторе, определяются исключительно его собственными параметрами и не связаны с процессом усиления входного сигнала.

Класс усиления D. Режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме усилительный элемент (биполярный транзистор) может находиться только в состоянии «включено» (режим насыщения биполярного транзистора) или «выключено» (режим отсечки биполярного транзистора), называется ключевым режимом или режимом усиления

класса D.

Таким образом, ток в выходной цепи усилительного каскада, работающего в режиме усиления класса D, может принимать только два значенияединице.: Iк max и Iк min-. Поэтому КПД такого усилительного каскада близок к Режим класса D широко используется в устройствах, основным требованием к которым является получение максимального КПД. Как правило, это устройства с автономным питанием, рассчитанные на длительный режим работы. Для реализации данного режима работы входное напряжение должно принимать значение либо меньшее порогового напряжения Uбэ пор, либо большее Uвых max, соответствующего границе

активного режима работы и режима насыщения.

Согласно данному определению, выходное напряжение усилителя, работающего в режиме класса D, всегда имеет форму прямоугольного импульса и усиление входного сигнала сопряжено с изменением того или иного параметра этого импульса, например его длительности, фазы и т. п.

Следует отметить, что КПД каскада, работающего в режиме класса D, только теоретически может быть равен единице. На практике в таких каскадах всегда присутствуют три составляющие потерь, природа которых кроется в неидеальности используемой элементной базы. Это потери в насыщенном состоянии, потери в режиме отсечки и потери на переключение, обусловленные движением рабочей точки на выходных характеристиках транзистора из точки Б в точку А и обратно. Однако при правильном проектировании эти потери всегда меньше потерь в других классах усиления.

ЛЕКЦИЯ 8. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

8.1. Понятие о классах усиления.

Таблица 8.1 Основные параметры усилителей различных классов усиления

Основные параметры транзисторного каскада для различных классов усиления сведены в таблицу.