Режимы работы усилительного каскада

Для того чтобы форма сигнала на выходе усилителя совпадала с формой входного сигнала, зависимость между ними должна быть линейной. Поскольку транзистор является нелинейным элементом, возможны искажения сигнала. Наличие искажений зависит как от амплитуды входного сигнала, так и от выбора положения начальной рабочей точки. Выбор положения начальной рабочей точки влияет также и на КПД усилителя, т.к. в момент отсутствия сигнала вся энергия источника питания идет на нагрев p-n переходов.

В зависимости от положения начальной рабочей точки на характеристике и амплитуды входного сигнала различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В, C.

Режимы работы усилительных каскадов принято рассматривать при воздействии синусоидального сигнала. Количественно режим работы характеризуют углом отсечки q − половиной той части периода синусоидального сигнала, в течение которого через выходную цепь транзистора протекает ток I_Кm.

Для иллюстрации режимов работы используют составную ВАХ, которая называется проходной характеристикой .

Режим А. В данном режиме начальная рабочая точка А выбирается примерно в середине линейной части проходной характеристики , а амплитуда входного сигнала U_ВХm такова, что ток в цепи коллектора протекает в течение всего периода синусоидального сигнала. В этом случае угол отсечки q = 180^О.

 

 

Рис. 3

Транзистор работает в активном режиме. Из-за большого тока покоя КПД (η) в этом режиме меньше 50%. Полезная мощность на выходе транзистора в этом режиме определяется выражением . Мощность на выходе в отсутствие входного переменного сигнала определяется Р_О = U_ОК*I_ОК. Так как и , то .

В режиме А транзисторный усилитель работает без искажений. Этот режим обычно используется в каскадах предварительного усиления, в которых потребляемая энергия незначительна и основные требования сводятся к обеспечению минимальных искажений выходного сигнала.

Режим В. Начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики (рис.4).

Рис. 4

Ток коллектора протекает лишь в течение положительного полупериода входного сигнала. В течение другого полупериода транзистор находится в режиме отсечки. Угол отсечки равен q = 90. КПД каскада в этом режиме значительно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал (η может достигать 80%). Однако усиливается только один период. Для усиления сигнала в течение всего периода используют двухтактные схемы, когда одно плечо работает в положительный полупериод, а другой – в отрицательный. В режиме В работают каскады мощного выходного усиления.

Режим С. В этом режиме начальная точка А располагается левее начальной точки проходной характеристики (рис. 5). Угол q менее 90°. В отсутствии сигнала ток через транзистор не протекает – транзистор находится в «глубокой» отсечке.

При подаче входного сигнала коллекторный ток протекает в течение времени, меньшем положительного полупериода входного сигнала. КПД выше чем в режиме В. Данный режим используются в специальных мощных резонансных усилителях, для которых основное требование − обеспечение максимальной мощности на выходе усилителя при минимальных энергетических затратах.

Рис.5

Режим D. Данный режим называют ключевым режимом или режимом работы инвертора. Для усилителей такой режим используется только при усилении прямоугольных сигналов.