Раздел 1.2.4 Режимы работы усилительных каскадов (Лекция 7, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Режим класса А

2. Режимы классов В, АВ

3. Режимы классов С, D

1.2.9. 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.

Рисунок 1.19 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаА

В режиме классаАположение 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. 1.19, а) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя располагалось на середине этого линейного участка. Амплитуды переменных составляющих входного и выходного токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис. 1.19, б), в режимеАне могут превышать токи покоя и соответственно. Режим классаАхарактеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала ( ). Режим классаАявляется наименее экономичным в виду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значительно большими величинами постоянных составляющих , .

В связи с этим КПД усилительного каскада в режимеА 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.

Режим классаВ— 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. 1.20).

Рисунок 1.20 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаВ

В режиме классаВтранзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки . Углом отсечки называют половину времени периода 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 классаВприменяется 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 имел место линейный характер характеристик. В связи с этим режим классаВ характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала ( ), и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.

Режим класса АВиспользуется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 1.21). 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 АВнесколько больше и достигает 120...130^°.

Рисунок 1.21 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса АВ

При работе двухтактных каскадов в режиме АВпроисходит 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 классеА, но меньше, чем в классе В, за счет наличия малого входного тока покоя .

Режим классаС — это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через него протекает в течение времени, меньшего половины периода входного сигнала (рис. 1.22). 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%.

Рисунок 1.22 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме классаС

С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой. В связи с большими нелинейными искажениями режим классаС не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке токпервой 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 Dничтожно малы и КПД каскада приближается к 100%.

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