Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения, различают три основных режима работы усилительных: каскадов, или классов усиления: А, B и С. Основными характе­ристиками этих режимов являются нелинейные иска­жения и к.п.д.

Режим А. Режим А хара­ктеризуется тем, что рабо­чую точку П ́ в режиме по­коя выбирают на линейном участке (обычно посереди­не) входной и переходной характеристик транзисто­ра. На рис. 1 для режима А показано положение рабочей точки на переходной характеристике, линии нагрузки и выходных характеристиках транзистора. Значение входного напряжения в режиме А должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные ис­кажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т. е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напря­жения форма выходного напряжения будет практически синусои­дальной. Благодаря этому режим А широко применяют в усилите­лях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток — очень низкий к. п. д. усилителя.

К.п.д. усилителя определяется отношением выходной мощ­ности к мощности, потребляемой усилителем от источника пита­ния. Выходная мощность, создаваемая усилительным каскадом на транзисторе в режиме А,

P_вых = 0,5U_kmI_km, (1)

где U_km, I_km — соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Потребляемая усилителем, мощность частично преобразуется в выходную мощность, а частично переходит в теплоту, выделяемую в элементах усилительного каскада. Эта мощность равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора:

P₀ = 0,5U₀I₀. (2)

Таким образом, к.п.д. усилительного каскада

(3)

Как видно из рис. 1, амплитуды переменных составляющих коллекторных напряжения и тока в режиме А меньше соответствующих постоянных составляющих, т. е. U_km<U₀ и I_km<I₀. Следовательно, к.п.д. усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5, в действительности он редко превышает 0,35. Поэтому в усилителях мощности, для которых к.п.д. имеет существенное значение, режим А используют очень редко.

Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают в начале переходной характеристики транзистора (рис. 2). Эта точка называется точкой отсечки.

В режиме В переменные составляющие тока и напряжения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Входное напряжение усилительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. нелинейные искажения очень большие. Поэтому режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности.

Режим B характеризуется значительно более высоким к.п.д. усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а постоянная составляющая тока при наличии входного напряжения имеет сравнительно небольшое значение. К.п.д. усилителя, работающего в режиме В, может достигать 80%.

Иногда используют режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка покоя при этом должна находиться в интервале между положениями рабочей точки в режимах А и В. В этом слу­чае к.п.д. усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные иска­жения меньше, чем в режиме В.

Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рис. 3). Этот режим сопровождается большими ис­кажениями усиливаемого напряжения, но к.п.д. устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, кото­рые благодаря наличию колебательных контуров или других час­тотно-зависимых устройств выделяют лишь основную гармонику

из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие боль­ших нелинейных искажений.

Методы обеспечения режима работы тран­зистора

Усилительного каскада по схеме включения транзистора с ОЭ имеет наибольшее распространение. В этой схеме полезная выходная мощность на сопротивлении нагрузки, обус­ловленная переменной составляющей коллекторного тока с амплитудой 1_кт (или коллекторного напряжения с амплитудой U_кm), почти полностью определяется энергией источника питания E_к, а не энергией входного сигнала. В то же время начальное положение рабочей точки p (при отсутствии входного переменного сигнала) определяется на динамической характеристике совокупностью посто­янных составляющих токов и напряжений в выходной и входной цепях. В таком режиме, называемом режимом по постоянному току, указанные значения постоянных составляющих напряжений и токов также определяются источниками Е_к и Е₆.

В практических схемах источник смещения Е₆ используется редко, а значение тока смещения базы I_0б (а также напряжения смещения U_0б), определяющее режим усиления каскада при соответствующем наклоне динамической характеристики, задается источником питания Е_к. При этом в схему вводят до­полнительные элементы смещения (обычно резисторы).

Рассмотрим основные методы подачи смеще­ния в транзисторном каскаде усиления применительно к схеме ОЭ, которые применяются также в каскадах усиления с включением транзисторов по схемам с ОК и ОБ.