Проходная динамическая характеристика и общие сведения о классах усиления.

Проходной динамической характеристикой именуют зависимость силы тока, протекающего по выходной цепи каскада, от величины напряжения, подведенного к его входу. Иногда ее называют сквозной динамической характеристикой. Если МДП-транзистор включен по схеме с общим истоком, то проходная динамическая характеристика будет иметь вид зависимости тока стока от напряжения затвор-исток. Если биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером, то проходной динамической характеристикой будет выступать зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер.

Проходную динамическую характеристику часто строят, располагая входной и выходной статическими характеристиками. Входной статической характеристикой называют зависимость входного тока от напряжения, прикладываемого к входным цепям, при неизменном выходном напряжении. Выходной статической характеристикой именуют зависимость тока нагрузки, протекающего по выходной цепи каскада, от напряжения, снимаемого с выхода устройства, при фиксированном входном токе. График проходной динамической характеристики, получаемой, например, для биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, приведен на рис. 5.

Рис. 5. Проходная динамическая характеристика.

 

Зависимость Iб = f (Uбэ) – это входная статическая характеристика, а Iк = f (Uкэ) – это выходная статическая характеристика.

Классами усиления называют типовые режимы, в которых функционируют усилительные каскады, причем эти режимы зависят от размещения рабочей точки по отношению к проходной динамической характеристике. К наиболее часто используемым режимам следует отнести классы A, B, C, D, G, H, T, а также промежуточные классы AB и BC. Выходной ток каскада может течь как в течение всего периода, так и лишь некоторую его часть. Углом отсечки именуют половину длительности периода, в течение которой по нагрузке течет выходной ток каскада. Угол отсечки, обозначаемый «Θ», приводят в градусах.

 Режим работы класса A.

Рабочая точка каскада, функционирующего в режиме работы класса «A», лежит на линейном фрагменте проходной динамической характеристики. Для этого необходимо организовать смещение, то есть подачу на вход каскада (после разделительного конденсатора или трансформатора между общим проводом и либо затвором, либо базой, либо сеткой) небольшой постоянной составляющей напряжения, для чего обычно используют делитель напряжения источника питания. В режиме класса «A» амплитуда входного сигнала меньше, чем величина смещающего напряжения. Угол отсечки каскада класса «A» составляет 180°, то есть постоянный ток через активный усилительный компонент каскада протекает в течение длительности всего периода, даже если входной сигнал отсутствует. Если сигнал на вход каскада класса «A» не подан, то место, через которое проходит линия нагрузочной прямой и требуемая ветвь выходной статической характеристики, носит название рабочей точки покоя. В связи с тем, что амплитуда переменной составляющей тока выходного сигнала меньше постоянной составляющей тока этого сигнала, которая приводит лишь к выделению тепла, то КПД каскада не велик. Наибольше теоретическое значение КПД каскада в классе «А» составляет 50%, и превышение этого КПД для данного класса невозможно даже в идеальном случае. А КПД каскада класса «A», обычно достижимый на практике, редко превышает 20%. Столь низкий КПД представляет основной недостаток устройств данного класса. Поэтому в классе «A» обычно функционируют предварительные каскады, а оконечные усилители мощности в этом классе работают редко.

К достоинству класса «A» нужно отнести появление минимальных, относительно остальных классов усиления, нелинейных искажений, ввиду нахождения рабочей точки в линейной области.

Режим работы класса B.

Напряжение смещения каскада, функционирующего в режиме класса «B», выбирают таким, чтобы рабочая точка покоя была расположена около нуля в начале координат, а ток, потребляемый каскадом в отсутствии сигнала, был незначительным. Угол отсечки в классе «B» составляет 90°, то есть ток нагрузки течет лишь половину длительности периода. В отсутствие сигнала, подлежащего усилению, постоянная составляющая тока нагрузки отсутствует, а КПД каскада довольно высок. Максимальная теоретическая величина КПД каскада в классе «B» составляет 78,5%. На практике КПД каскада в классе «B» часто доходит до 60% … 65%, что представляет достоинство по сравнению КПД каскада в классе «A».

Важным недостатком режима класса «B» выступают большие нелинейные искажения, что ограничивает применение этого режима оконечными двухтактными усилителями мощности.

Режим работы класса AB.

Каскад в классе «AB» работает в «гибридном» режиме, когда угол отсечки больше 90°, но меньше 180°, а рабочая точка лежит на изгибе вблизи нуля у начала координат проходной динамической характеристики. В случае отсутствия входного сигнала или при его малой амплитуде активные компоненты функционируют в классе «A», а если уровень сигнала превысит определенный порог, то будет осуществлен переход работы в класс «B». Ток покоя каскада в классе «AB» будет много ниже, чем в режиме класса «A», а КПД устройства будет большим, чем в классе «A», но меньшим, чем в классе «B». Нелинейные искажения сигнала, усиленного каскадом в классе «AB», не велики, а практически достижимый КПД таких устройств может составлять примерно 50% … 55%. Таким образом, класс «AB» вобрал лучшие черты классов «A» и «B» – низкие нелинейные искажения при довольно высоком КПД. Распространенное применение каскадов в классе «AB» заключено в изготовлении двухтактных усилителей мощности с низким уровнем гармоник.

 Режим работы класса C.

Каскад в классе «C» имеет угол отсечки больше 10°, но меньше 90°, а напряжение смещения в классе «C», обладающее отрицательной величиной, будет значительней, чем в классе «B». В результате выходной сигнал состоит из положительных полуволн с отсечкой тока нагрузки и похож на импульсы малой длительности. КПД каскада в классе «C» может достигать 75% … 85%, однако нелинейные искажения чрезвычайно велики, что ограничивает использование этого класса оконечными каскадами передатчиков, в которых искажение формы сигнала не столь пагубно, как в усилителях звуковой частоты; резонансными усилителями; умножителями частоты и пр. Более того, для умножителей частоты богатый гармониками спектр выступает достоинством, а не недостатком. Иногда для усиления сигналов применяют промежуточный класс «BC», в котором КПД будет выше, чем в классе «B», а нелинейные искажения будут меньше, чем в классе «C».

Режим работы класса D.

Каскад в классе «D» имеет активные компоненты, работающие в ключевом режиме, а требуемое изменение огибающей напряжения выходного сигнала происходят благодаря соответствующему быстрому регулированию коэффициента заполнения широтно-модулированных импульсов, которые пропорциональны амплитуде аналогового сигнала, подаваемого на вход устройства. Так как ключевые транзисторы лишь короткий интервал времени пребывают в линейном режиме, а в основном – в режимах отсечки и насыщения, то КПД каскада в классе «D» может быть очень высоким и достигать 85% … 90% при усилении музыкального сигнала. Именно высокую энергетическую экономичность относят к важнейшему достоинству усилителей класса «D», что позволяет их рекомендовать для применения в ноутбуках, сотовых телефонах и других устройствах. В ключевом режиме основной причиной уменьшения КПД выступают потери в динамическом режиме, т.е. при переключении активных компонентов. Меньший вклад в снижение КПД вносят потери в статическом режиме.