10.7. Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от значений постоянного тока и падения напряжения на транзисторе усилительного каскада и амплитуды входного усиливаемого сигнала различают основные режимы работы усилительного каскада: А, В, С, D, АВ.

В режиме класса А положение рабочей точки выбирается таким образом, чтобы при движении по линии нагрузки она не заходила в нелинейную начальную область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. На входной характеристике (рис. 10.17,а) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя I_бо располагалось на середине этого линейного участка. Амплитуды переменных составляющих входного I_бm и выходного I_кm токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис. 10.17,б), в режиме А не могут превышать токи покоя I_бо и I_ко соответственно. Режим класса А характеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала ( ). Режим класса А является наименее экономичным, в виду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значи-

т ельно большими величинами пос-тоянных соста-вляющих I_ко, U_кэо. В связи с этим КПД усилительного кас-када в режиме А невелик, всегда меньше 40 %. Ре-жим класса А применяется в тех случаях, когда необходимы мини-мальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими, это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.

Режим класса В – это режим работы транзистора, 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 (рис. 10.18). 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°. Углом отсечки называют половину времени пе-

р иода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое 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). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы был линейный характер характеристик. В связи с этим режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала ( ) и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его используют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.

Режим класса АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 10.19). 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 и достигает 120…130°.

П ри работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений ( ), 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_бо.

Режим класса С – это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через транзистор протекает в течение времени меньшего половины входного сигнала (рис. 10.20). Угол отсечки меньше , а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100 %.

С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой гармоники. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.

Режим класса D – это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. 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, D транзистор работает с отсечкой тока.