Режимы работы усилительных каскадов

Взависимости от величины постоянной составляющей входного сигнала (от положения ИРТ на нагрузочной прямой), транзистор в схеме усилительного каскада может работать без отсечки или с отсечкой тока. В связи с этим различают несколько режимов работы транзистора в усилительном каскаде. Эти режимы работы принято обозначать заглавными буквами латинского алфавита. В частности, в усилителях звуковых частот находят применение следующие режимы работы транзистора:

- в каскадах предварительного усиления и маломощных оконечных каскадах (при выходной мощности менее 100 мВт) – режим класса А;

- в двухтактных оконечных каскадах – режимы классов В или АВ.

Рассмотрим особенности отдельных режимов работы усилительных каскадов на примере каскада, собранного на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, где для изменения положения ИРТ использован переменный резистор R2 (рисунок 2.21).

Режимом класса А называют такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента существует в течение всего периода входного сигнала. Для пояснения физических процессов в транзисторе воспользуемся проходной ВАХ биполярного транзистора, представляющей собойзависимость тока коллектора от напряжения на эмиттерном переходе U_БЭ (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 – Проходная ВАХ биполярного транзистора и временная

диаграмма коллекторного тока

В режиме класса А исходная рабочая точка (точка О на рисунке 2.24) находится примерно на середине прямолинейного участка проходной ВАХ транзистора (или, что то же самое – на середине нагрузочной прямой (рисунок 2.22)), что достигается подачей соответствующего тока смещения во входную цепь подбором сопротивления резистора R2 (рисунок 2.21).

Из рисунка 2.24 видно, что в режиме класса А амплитуда переменной составляющей выходного тока I_кm не может быть больше тока покоя I_{К 0}, при этом среднее значение выходного тока I_ср почти не зависит от амплитуды входного сигнала и мало отличается от тока покоя I_{К 0}.

Основным достоинством режима класса А является малый коэффициент гармоник вследствие работы усилительного элемента на линейном участке его проходной ВАХ, в результате чего форма выходного тока не отличается от формы входного сигнала. Основным недостатком режима класса А является низкий КПД.

Коэффициент полезного действия усилителя в режиме класса А оказывается относительно низким из-за большого тока покоя. Для определения КПД используют выражение

, (2.49)

а поскольку ток I_{К 0} и напряжение U_{КЭ 0} покоя достаточно велики, то согласно выражению (2.49) КПД каскада в режиме класса А не может превышать 50%. На практике, если обеспечивается работа транзистора только с использованием линейной части его ВАХ, КПД каскада еще меньше – обычно не более 25... 35%.

Режимом класса В называют такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента существует только в течение половины периода входного сигнала (рисунок 2.25).

Рисунок 2.25 – Положение ИРТ на проходной ВАХ транзистора

в режимах класса В и АВ

В режиме класса В ИРТ (точка О ^’ на рисунке 2.25) усилительного элемента расположена в начале линейного участка проходной ВАХ (то есть на границе области отсечки на нагрузочной прямой), для чего во входной цепи уменьшают напряжение смещения путем уменьшения сопротивления резистора R2 (рисунок 2.21). Для характеристики режимов работы, отличных от режима класса А, используют понятие угла отсечки: углом отсечки Q выходного тока называют половину временного интервала, выраженного в угловых единицах, в течение которого в выходной цепи усилительного элемента протекает ток.

В идеальном режиме B угол отсечки Q = 90°, а выходной ток протекает в течение полупериода действия входного сигнала.

Вследствие малых значений тока покоя и меньшего среднего значения тока (I_ср» 0,318 ×I_Кмакс), потребляемого от источника питания, КПД каскада, работающего в режиме класса В, может достигать 78%. Практически достижимые значения КПД в этом режиме – 60... 65%.

Основным достоинством режима класса В является малое потребление энергии от источника питания. Это обусловлено не только более высоким КПД по сравнению с режимом класса А, но также и тем, что потребляемый от источника питания ток сильно уменьшается при слабых сигналах. В результате усилитель мощности, работающий в режиме класса В, потребляет в несколько раз меньше энергии от источника питания, чем каскад с такой же выходной мощностью, работающий в режиме класса А.

Недостатком режима класса В является то, что усилительный элемент в нем полпериода находится в закрытом состоянии, а, следовательно, усиливает только один полупериод подводимого сигнала. Кроме этого, в режиме класса В используется почти весь участок проходной характеристики усилительного элемента, включая нелинейную ее часть, что приводит к значительным нелинейным искажениям (коэффициент гармоник может достигать 40%).

В усилителях гармонических сигналов, например, в двухтактных оконечных каскадах, чаще используют режим класса АВ. Режимом класса АВ называют такой режим работы усилительного каскада, при котором угол отсечки выходного тока немного больше, чем 90°. Этот режим в отношении расположения ИРТ и величины выходного тока покоя I_{к 0} является промежуточным между режимами А и В. Режим класса АВ достигается подачей на управляющий электрод транзистора напряжения смещения (с помощью резистора R2, рисунок 2.21) такой величины, при котором ИРТ (точка О на рисунке 2.25) будет находиться в том месте, где начинается нижний край линейной части проходной характеристики транзистора. При этом ток покоя I_{к 0} транзистора составляет 10... 15% максимального значения выходного тока I_Кмакс. КПД каскада в режиме класса АВ немного меньше, чем в режиме В (теоретически – менее 70%), а коэффициент гармоник – существенно меньше 10% (может составлять десятые доли – единицы процентов).