Классы работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки (р.т.) на сквозной характеристике различают 4 основных класса работы усилителей: A, B, C и D.

 

 

Рис.4.1. Положение рабочей точки в зависимости от класса работы усилителя

 

Усилитель класса A

 

При работе в классе A рабочая точка выбирается в середине линейной части сквозной характеристики.

 

 

Рис.5.2. Положение рабочей точки при работе в классе A

 

Класс А характеризуется минимальными искажениями сигнала при низком КПД схемы (не более 50%).

 

Положение р.т. на сквозной динамической характеристике определяет величину тока покоя транзистора I_{К 0}. Под током покоя транзистора понимается ток, потребляемый транзистором от источника питания при отсутствии сигнала на входе. КПД обратно пропорционален величине тока покоя (4.1).

	^P Вых	,	(4.1)
		^P потр

где P _потр I _{К 0} E ₀.

 

Работа усилительного каскада в режиме класса А характеризуется:

 

­ низким КПД (в силу большой величины тока покоя),

 

­ наименьшими нелинейными искажениями (в силу того, что р.т. находится на линейном участке).

 

Каскады класса А используются в качестве каскадов предварительного

 

усиления, от которых требуется заданный КУ при заданной величине

 

искажений сигнала.

 

Однако класс А не в состоянии обеспечить высокий КПД, поскольку во время работы каскад потребляет от источника питания примерно одинаковую мощность при любом входном сигнале. По этой причине класс А в мощных оконечных каскадах, где требуется высокий КПД, практически не применяется.

 

Поскольку в режиме А отсутствует отсечка коллекторного тока, то этот режим не принято характеризовать углом отсечки, хотя иногда, с некоторой оговоркой, можно считать угол отсечки в этом режиме равным.

 

Усилитель класса В

 

Рис.5.3. Положение рабочей точки при работе в классе B

 

В режиме B усилитель работает с отсечкой тока (полпериода ток проходит,

 

полпериода нет). Такой режим принято характеризовать углом отсечки,

 

который равен половине длительности импульса в угловом исчислении. В

 

идеализированных условиях, когда ВАХ аппроксимируется ломанной, при работе в классе B угол отсечки равен / 2.

 

Рабочая точка транзистора при работе в классе B задаётся следующим образом:

 

1) проводится касательная к характеристике,

 

2) из точки пересечения этой касательной с осью абсцисс поднимается перпендикуляр,

 

3) р.т. является пересечение полученного перпендикуляра со сквозной характеристикой.

 

Среднее значение тока для усилителей класса B зависит от амплитуды усиливаемого сигнала. Когда сигнал отсутствует, среднее значение тока очень мало и усилитель почти не потребляет энергию от источника питания, т.е. ток покоя очень мал. Поэтому потребляемая энергия в режиме В оказывается на порядок ниже, чем в режиме А. За счет лучшего использования тока предельное значение КПД для режима В равно 0,785. При этом температурный режим активного элемента улучшается – он меньше нагревается, поскольку снижается рассеиваемая тепловая мощность.

 

Усилительный каскад класса B характеризуется:

 

1) углами отсечки порядка /2;

 

2) более высоким по сравнению c каскадом класса А КПД– 78,5%;

 

3) высоким коэффициентом гармоник K _Г 43% (в силу работы на значительно нелинейном участке сквозной характеристики).

 

Поскольку выходной сигнал является однополярным, то для получения отрицательной полуволны усилители класса B строятся по двухтактной схеме.

 

Усилители класса B применяются в качестве усилителей мощности в оконечных каскадах и в аналоговых усилителях с высокими требованиями к КПД.

 

Усилитель класса АВ

 

Рис.4.4. Положение рабочей точки при работе в классе AB

 

 

Если угол отсечки больше /2 но меньше, то получается промежуточный между классами А и В класс АВ. Этот режим обычно применяется для устранения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков ВАХ. При работе двухтактных усилителей в режиме АВ происходит перекрывание двух полуволн тока с плеч разной полярности, что приводит к компенсации искажений, полученных за счет нелинейности ВАХ.

 

Усилитель класса С

 

При работе в классе С на усилитель подается сигнал большого уровня и такое напряжение смещения на АЭ, при котором угол отсечки меньше /2 (рис. 4.1). При этом ток покоя мал, следовательно, возрастает КПД (КПД здесь приближается к 100%). Однако, коэффициент гармоник здесь также очень высок (больше чем у УУ класса B) и спектр выходного сигнала обогащен паразитными гармониками. Поэтому этот режим широко используется только в мощных усилителях радиочастот, которые по выходу нагружаются на избирательные цепи.

 

Усилительный каскад класса C характеризуется:

 

1) углами отсечки меньше /2;

 

2) более высоким КПД (~100%) по сравнению c классом B;

 

3) высоким коэффициентом гармоник и наличием паразитных гармоник в спектре выходного сигнала.

 

Усилитель класса D

В этом режиме УЭ работает в ключевом режиме (как ключ) (рис.4.1):

 

­ в закрытом состоянии через АЭ протекает незначительный ток, а падение напряжение на нем примерно равно напряжению источника питания,

 

­ в открытом состоянии ток большой, и падение напряжение на АЭ незначительно.

 

Поэтому потери в усилителях такого класса незначительны, а КПД

 

стремиться к 100%. Понятно, что гармонические сигналы такой усилитель

 

усиливать не может, так как очень велик коэффициент гармоник. Усилители

 

класса D используют для проектирования ключевых усилителей мощности.

 

Контрольные вопросы

 

20) Как выбирается рабочая точка при работе усилителя в классе А? а) На вершине линейной части сквозной характеристики.

б) В нижней точке линейной части сквозной характеристики. в) В середине линейной части сквозной характеристики.

 

г) На пересечении сквозной характеристики с осью выходного тока.

 

д) На пересечении сквозной характеристики с осью входного напряжения.

 

21)Для чего усилители класса B переводят в класс AB? а) Чтобы увеличить КПД.

 

б) Чтобы перейти от двухтактной схемы к однотактной.

 

в) Чтобы уменьшить потребляемую от источника питания мощность. г) Чтобы расширить полосу пропускания.

д) Чтобы снизить нелинейные искажения.

 

22) Что понимается под током покоя транзистора?

 

а) Ток, потребляемый транзистором от источника питания при максимальной амплитуде сигнала на входе.

б) Ток, потребляемый транзистором от источника питания при отсутствии сигнала на входе.

в) Максимальный ток, потребляемый транзистором от источника питания. г) Минимальный ток, потребляемый транзистором от источника питания.

 

д) Среднее значение тока, потребляемого транзистором от источника питания.

 

23)Какое максимальное значение КПД можно получить, для усилительного каскада класса А?

 

а) 25% б) 41% в) 50% г) 78,5% д) 99%

 

24)Какое максимальное значение КПД можно получить, для усилительного каскада класса В?

 

а) 25% б) 41% в) 50% г) 78,5% д) 99%