3.2.6. Режими роботи підсилюючих елементів.

Режимами роботи підсилюючих елементів називають варіанти (класи) підсилення сигналів в залежності від співвідношення амплітуди вхідного сигналу і напруги зміщення.

Перед розглядом особливостей режимів підсилення спершу зупинимось на залежності вихідного струму транзистора від напруги на його вході І_вих = f(U_вх) або точніше І_К = f(U_БЕ). Така залежність отримала назву прохідної (наскрізної) динамічної характеристики транзистора. Для її побудови використовуються сімейство вихідних статичних характеристик із навантажувальною прямою (рис. 9.22) та вхідна статична характеристика транзистора, знята звичайно при U_КЕ = 5 В (рис. 9.20). На сімействі вихідних статичних характеристик позначаються точки перетину навантажувальної прямої із статичними характеристиками і визначаються відповідні цим точкам величини струму колектора і струму бази. За визначеними значеннями струмів бази на вхідній статичній характеристиці знаходяться відповідні ним значення вхідної напруги – U_БЕ. Кожному значенню напруги U_БЕ відповідає позначене раніше значення струму колектора І_К, що і дозволяє побудувати графік залежності І_К = f(U_БЕ).

Отже, в залежності від вибору робочої точки (точки спокою) на прохідній динамічній характеристиці транзистора розрізняють режими (класи) А, АВ, В, ВС, С і D. Як вже зазначалось, зміщення робочої точки здійснюється введенням в керуюче коло підсилюючого елемента напруги зміщення U_БЕ Р, що діє разом із підсилюємим – вхідним сигналом U_вх. Особливості зазначених режимів відображені на рис. 3.31 – 3.34 у вигляді часових графіків вхідних і вихідних сигналів відносно прохідної характеристики.

При зміщення синусоїдального вхідного сигналу може відбутися відсікання частини вихідного сигналу за рівнем. Глибина відсікання оцінюється кутом відсікання сигналу. Половина тривалості імпульсу струму у вихідному колі називається кутом відсікання Θ.

Режим А (або режим підсилення класу А, який ілюструється на рис. 3.31) характерний тим, що на базу подається така напруга зміщення U_БЕ Р, при якій робоча точка Р, що визначає вихідний стан схеми при відсутності вхідного сигналу, розташовується приблизно на середині прямолінійної ділянки прохідної характеристики (рис. 3.31). Напруга зміщення U_БЕ Р за абсолютною величиною завжди більша за амплітуду вхідного сигналу, а вихідний струм спокою І_К Р завжди більший за амплітуду змінної складової вихідного струму (І_К Р > І_К m). Кожна півхвиля вхідного сигналу підсилюється однаково (кут в ідсікання Θ = π), і на виході каскаду змінна складова струму має також синусоїдальну форму. Це зумовлено мінімальними нелінійними викривленнями сигналу. Однак цей режим є найменш економічним, оскільки корисною є потужність, що виділяється у вихідному колі за рахунок змінної складової струму, а потужність, що споживається визначається значно більшою величиною постійної складової. Тому коефіцієнт корисної дії підсилюючого каскаду в режимі А складає лише 20 – 30%.

Р ежим класу А застосовується як правило, в малопотужних каскадах попереднього підсилення, в акустичних, у вимірювальних системах і в інших підсилювачах з малим коефіцієнтом викривлень.

В багатьох практичних випадках не потрібна висока точність відтворення вхідного сигналу, і важливим чинником стає економічність підсилювачів. Компромісне рішення досягається завдяки застосування інших режимів підсилення.

В режимі В (ілюстрація – на рис.3.32) робоча точка вибирається так, щоб струм спокою І_К Р був рівним нулю, тобто знаходилась майже в самому початку прохідної характеристики (точка Р). При подачі на вхід синусоїдального сигналу струм у вихідному колі каскаду протікає лише протягом половини періоду зміни напруги сигналу. В цьому випадку вихідний струм має форму імпульсів з кутом відсікання Θ = π/2. Постійна складова вихідного струму дорівнює нулю при відсутності сигналу і дорівнюватиме середньому значенню струму однопівперіодного випрямовування при проходженні сигналу. При відсутності сигналу каскад майже не споживає потужність від джерела живлення. При підсилені коефіцієнт корисної дії досягає 60 – 70%. Однак режим В характеризується великими нелінійними викривленнями, оскільки вихідний сигнал містить багато парних гармонічних складових із відносно великими амплітудами (це можна довести, розкладаючи імпульси струму колектора в ряд Фурьє). Цей режим використовується головним чином в потужних так званих двотактних кінцевих підсилюючих каскадах і в підсилювачах із резонансними властивостями.

Режим АВ характеризується кутом відсікання π/2 < Θ < π і займає проміжне положення між режимами А і В. Обравши робочу точку на перетині характеристики із горизонтальною віссю і подавши на вхід синусоїдальну напругу, можна отримати на виході форму струму, притаманну ідеальному режиму класу В. В реальних умовах початкова ділянка залежності І_К = f(U_БЕ) завжди криволінійна. Тому обирати як робочу точку початок координат невигідно, оскільки початкова ділянка характеристики має малу крутизну і велику нелінійність. Звичайно зміщення обирають за перетином випрямленої реальної характеристики із горизонтальною віссю. При цьому реальний кут відсікання трохи більше 90º. Коли сигнал відсутній, струм спокою на виході не дорівнює нулю, а має деяке невелике значення. Цей проміжний режим між режимами А і В називають режимом класу АВ. В цьому режимі коефіцієнт нелінійних викривлень значно менший, ніж в режимі В, а коефіцієнт корисної дії досягає 60%.

В режимі С (рис. 3.33) струм протікає в колі протягом часу, що менший половини періоду синусоїдального вхідного сигналу, тобто кут відсікання Θ < π/2. Режим С відзначається високою економічністю і значним рівнем нелінійних викривлень. Цей режим придатний для резонансних підсилювачів, які ефективно відфільтровують вищі гармоніки, і для електричних приводів (керованих електричних двигунів) в системах автоматики.

В режимі D (ілюстрація режиму D показана на рис. 3.34) підсилюючий елемент п рацює як ключ, тобто транзистор або повністю відкритий (транзистор знаходиться в режимі насичення), або повністю закритий (транзистор знаходиться в режимі відсікання). Цей режим використовується у перемикаючих пристроях, що працюють у ключовому режимі, зокрема в логічних елементах цифрових обчислювальних систем¹, у підсилювачах для електроприводів автоматичних систем, у вимірювально-інформаційних системах і т. ін. В режимі D підсилюючий елемент почергово то відкритий і робоча точка знаходиться в зоні насичення (точка N на рис. 3.34), то закритий і робоча точка переміщується в зону відсікання (точка М на рис. 3.34). Швидкість переходу із одного стану в інший визначає швидкодію підсилюючого елементу і швидкодію всього пристрою загалом. У стані відсікання n-p-p транзистор підтримується вхідним сигналом додатної полярності. Перекидання транзистора в стан насичення здійснюється імпульсом значної величини (для n-p-p транзистора – від’ємної полярності) і робоча точка переходить в зону насичення – точку N. В колах транзистора встановлюється колекторний струм насичення І_{К, н} ≈ U_К/R_К і струм насичення бази І_Б, н > І_{К, н}/β.

Режим D відзначається високою економічністю – транзистор споживає дуже незначну потужність, оскільки в стані відсікання при високій напрузі на колекторі струм колектора дуже малий, а в стані насичення при великому колекторному струмі вихідна напруга значно менша за 1 В.