3.1.2. Классы усиления

В усилителях мощности в зависимости от режима работы транзистора различают классы усиления A, B и С. Класс усиления задается величиной начального смещения U_бэА (или I_бА).

Класс А. Начальное смещение выбирается так, что рабочая точка покоя находится на середине нагрузочной характеристики (как, например, на рис. 2.2,а). Транзистор в классе А никогда не бывает закрыт, и ток выходной цепи i₂ пропорционален входному сигналу в любой момент времени (с тем или иным K_г). Из рис. 2.2,а нетрудно установить, что для класса А

I_{m max}  I_kA, U_{m max}  E_п, (3.2)

т.е.

 ^A  1,  ^A  1 (3.3)

(индекс А означает класс).

Все рассмотренные до сих пор усилительные каскады работали в классе А. Однако при увеличении отдаваемой мощности класс А невыгоден из-за низкого кпд.

Класс B. Начальное смещение выбирается на границе запирания транзистора:

= 0 (U_бэА = 0)

(индекс В означает класс).

Транзистор в режиме покоя находится на границе запирания (точка Ана рис. 3.1). Ток в коллекторной цепи протекает только в течение одного полупериода, в течение другого полупериода транзистор закрыт. На рис. 3.1 изображена входная характеристика транзистораI_б = (U_бэ) и диаграммы входного напряженияU₁ и тока базыI_б.ТокI_бпротекает только полпериода (2 = ). Ток коллектора по форме совпадает с током I_б.

Но реальные характеристики транзисторов нелинейны (указаны пунктиром). Для уменьшения искажений в начале характеристик реальный режим отличается от «идеального». Практически в режиме покоя протекает некоторый ток I'_бАчерез усилительный прибор, режим покоя определяется точкойА'.Такой режим называется классом АВ. Однако постоянные составляющие при этом обычно очень малы, и работа каскада рассматривается так же, как для «идеального» класса В. Из раздела о выпрямителях известно, что для тока в форме полусинусоиды постоянная составляющаяI_dи амплитуда первой гармоникиI_m следующие:

(3.4)

откуда следует, что

(3.5)

т.е.

 ^B >  ^A.

Рис. 3.1

Это позволяет в классе В получать более высокий кпд (^А^В). Однако резкое отличие выходного тока (полусинусоида) от входного сигнала (синусоида) обусловливает очень высокий коэффициент нелинейных искаженийK_г (например K^В_г2 = 42 %). Поэтому класс В в одиночных каскадах не используют, а применяют только в двухтактных каскадах.

В классе Сначальное смещение выбирают таким, что в выходной цепи протекает ток меньше полпериода (2). При этомкпдеще больше повышается. Класс С применяется редко. В пособии он не рассматривается.

3.2. Однотактный усилитель мощности класса а

3.2.1. Схема и ее работа

Чаще всего он бывает трансформаторным. Схема трансформаторного однотактного усилителя мощности класса А приведена на рис. 3.2. От рассмотренного ранее каскада (см. рис. 2.1,а, 2.6,а) он отличается тем, что нагрузкаR_нпо переменному току включена в коллекторную цепь через

Рис. 3.2

выходной трансформатор Тр. На рис. 3.3 приведены характеристики транзистора с нагрузочными линиями по постоянному (АЕ_п) и переменному (BC) току, используемые для анализа и расчета УМ.

На рис 3.2 использована эмиттерная стабилизация режима покоя. Однако осуществить этот способ стабилизации в усилителе мощности труднее, т.к. величинаR_эполучается малой (десятки Ом), и для исключения отрицательной ОС для переменных составляющих величина емкостиС_эдолжна быть очень большой. Поэтому в УМ применяют и другие способы задания и стабилизации режима покоя. Так, резисторR_элибо вообще не включают (при этом ухудшается стабильность), либо включают его без конденсатораС_э, вводя тем самым ООС по постоянному и переменному току. Для дальнейшего анализа принятоR_э  0, что мало отражается на результатах.

а б

Рис. 3.3

Сопротивление постоянному току в коллекторной цепи мало. Оно определяется только активным сопротивлением r₁первичной обмоткиW₁(илиr₁+ R_э приR_э 0), поэтому напряжение покоя U_кэА мало отличается отE_п:

U_кэА= E_п - r₁I_kA  E_п (3.6)

и нагрузочная линия по постоянному току АE_ппочти вертикальна.

По переменному току в коллекторной цепи транзистора действует приведенное (пересчитанное через коэффициент трансформации N = = W₂ / W₁)к первичной обмоткеW₁ сопротивление. Это сопротивление определяет наклон нагрузочной линииВСпо переменному току, а также определяет соотношения между переменными составляющими тока и напряжения.

На практике же,наоборот,выгоднее по наклону нагрузочной линииВСопределять величину. При этом сначала наносится нагрузочная линияВСс учетом указанной ранее оптимальности использования транзистора.