2.2.6 Классы усиления усилительных какадов

В зависимости от назначения усилительных каскадов к ним могут быть предъяв­лены следующие требования:

• получение заданного коэффициента усиления усилителя с определенной его частотно-фазовой характеристикой;

• получение заданных входного и выходного сопротивлений;

• получение заданной стабильности параметров усилителя и заданных нелиней­ных искажений;

• получение возможно максимального КПД усилителя.

Заданные характеристики усилителя обеспечиваются выбором соответству­ющих схем, числом каскадов усилителя, введением обратных связей и т. д.

КПД усилителя зависит от режима работы усилительных элементов, особен­но в оконечном каскаде.

Различают следующие режимы работы усилительных элементов (классы уси­ления): А, В, АВ, С, D.

Режим работы определяется постоянным напряжением между электродами УЭ и токами, протекающими в цепях электродов усилительного прибора, и ха­рактеризуется углом отсечки 0. Углом отсечки 0 называется выраженная в граду­сах (радианах) половина той части периода, в течение которой ток протекает че­рез усилительный прибор.

Класс усиления А — это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала.

Угол отсечки  = 180°.

В этом режиме точку покоя усилительного элемента выбирают таким обра­зом, чтобы выходной ток протекал в течение всего периода, то есть точка покоя должна находиться в середине линейного участка используемой рабочей харак­теристики (рисунок 3.20).

На входной характеристике (рисунок 3.20) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока по­коя I_Б0 располагалось на середине этого линейного участка.

Режим класса А характеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольт-амперных характеристик.

Рисунок 3.20 – Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса А

Это обусловливает минимальные нелинейные искажения сигнала (Кr  1 %). Режим класса А является наименее экономичным ввиду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составля­ющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значительно боль­шими величинами постоянных составляющих Iко и UKЭ0. Амплитуды переменных составляющих входного IБm и выходного IКm токов, появившихся вследствие входного сигнала, в режиме А не могут превышать токи покоя IБО и Iко соответственно.

Тогда КПД усилителя составляет:

В связи с этим практический КПД усилительного каскада в режиме А невелик, всегда меньше 40 %. Этот режим применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими. Это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.

Рисунок 3.21 – Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса АВ

Класс усиления АВ — это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода измене­ния напряжения входного сигнала. Режим класса АВ используется для уменьшения нелинейных искажений уси­ливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рисунок 3.21). При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, равный 5-15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в режиме класса АВ несколь­ко больше /2 и достигает 120°-130°.

При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие поло­жительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что при­водит к компенсации искажений (Кr  3 %), полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора.

КПД каскадов, работающих в режиме АВ, выше, чем каскадов в классе А, но меньше, чем в классе В, за счет наличия малого входного тока покоя I_Б0.

Класс усиления В — это режим работы транзисторного каскада, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала.

Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток по­коя был равен нулю (рисунок 3.22).

В режиме класса В транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки  = 90°.

Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокий КПД усилителя, в пределах 60-70 %. Режим класса В применяется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада).

Рисунок 3.22 – Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса В

Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма графика выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы при линейной зависимости. В связи с этим режим класса В характеризуется большими нелинейными ис­кажениями сигнала (Кr  10 %), и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ. Класс усиления С — это режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале, меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала.

Рисунок 3.23 – Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме усиления С

Он характеризуется выбором точки покоя в области запирания транзистора (рис.9.23). Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повыша­ется, приближаясь к 100 %. Угол отсечки меньше /2, а ток покоя равен нулю. С уменьшением угла от­сечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не и поль­зуется в усилителях звуковой частоты, а нашел свое применение в мощных двух­тактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонанс­ный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.

Класс усиления D — это режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме усилительный элемент может находиться только в со­стоянии «включено» (режим насыщения биполярного транзистора) или «выклю­чено» (режим отсечки биполярного транзистора).

В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания.

В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, его электри­ческое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100 %.

Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор рабо­тает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С и D транзистор работает с отсечкой тока.

ВЫВОДЫ:

1. КПД усилителя определяется режимом работы усилительного элемента и свя­зан с его углом отсечки.

2. Различают режимы работы усилительного элемента с отсечкой выходного тока (АВ, В, С, D) и без отсечки (Л), когда выходной ток протекает в течение всего периода входного сигнала.

3. Усилитель, работающий с отсечкой выходного тока, имеет наибольший КПД.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Как будет меняться выходное напряжение усилительного элемента при изме­нении выходного тока в нагрузочном режиме?

2. В каком случае при наличии нагрузки в выходной цепи напряжение Uкэ = Ек?

3. Почему нагрузочные характеристики постоянного и переменного токов пере­секаются в точке покоя?

4. Объясните, при каких условиях биполярный транзистор в нагрузочном режи­ме может попасть в режим насыщения, если в точке покоя транзистор работа­ет в активном режиме?

5. Каким должно быть соотношение между током покоя Iко и амплитудой пере­менного тока Iк т, чтобы получить наименьшие искажения формы тока?

6. Какие еще вы знаете примеры, где необходимо усиливать электрические сиг­налы, кроме перечисленных в учебном пособии?

7. Какова роль источника питания усилительного элемента в процессе усиления сигналов?

8. Каково назначение напряжения смещения в процессе усиления электрических сигналов?

9. Какое напряжение смещения (по знаку) надо подать на базу биполярного транзистора nрn - типа для выбора точки покоя на линейном участке характе­ристики?

10. Как зависит ток покоя от положения точки покоя на характеристике данного прибора и как это отразится на КПД?

11. Поясните принцип подачи напряжения смещения фиксированным током базы и напряжением база-эмиттер.

12. Назовите причины нестабильности.

13. Дайте определение и поясните явление дрейфа нуля.

14. Дайте краткую характеристику методам стабилизации режима работы тран­зисторного каскада.

15. Назовите основные показатели усилителя.

16. Назовите параметры, оценивающие частотные и нелинейные искажения.

17. Как возникают фазовые искажения и как их оценивают?

18. Какими факторами ограничивается динамический диапазон?

19. Чем обусловлены переходные процессы в усилителе?

20. Перечислите классы усиления усилительных каскадов.

21. Почему в классе усиления А практически отсутствуют нелинейные иска­жения?

22. За счет чего КПД усилительного каскада, работающего в режиме В, выше, чем в режиме А?

23. Какой режим работы транзистора называют ключевым и почему?

24. Что такое угол отсечки?