Режимы работы усилительных каскадов (классы усиления)

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения различают 3 основных режима работы усилительных каскадов или классов усиления: A, B, C.

Основными характеристиками этих режимов являются:

- нелинейные искажения;

- коэффициент полезного действия (к. п. д.).

Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) входной и переходной характеристик и, соответственно, посередине линии нагрузки на семействе выходных характеристик. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будет min, т. е. при подаче на вход усилительного каскада гармоничного 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 Р _вых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Р ₀:

η = Р _вых / Р ₀,

где P _вых = 0,5 U _кm I _кm, (U _кm, I _кm – замплитуды коллекторных напряжений и токов);

P ₀= U ₀ I ₀– потребляемая мощность, которая частично преобразуется в выходную мощность, а частично переходит в теплоту, выделяемую на элементах усилительного каскада. Т. е. Р ₀ равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора.

Из рисунке 2.10 видно, что амплитуды переменных составляющих коллекторных напряжения и тока в режиме А меньше соответствующих постоянных составляющих, т. е. U _кm < U ₀ и I _кm < I ₀. Следовательно, к.п.д. усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5, в действительности он редко превышает 0,35. Поэтому, например, в усилителях мощности, для которых к. п. д. имеет существенное значения, режим А используется очень редко.

Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П1 выбирают в начале переходной характеристики. Это точка отсечки (рисунок 2.11).

В режиме В переменные составляющие I и U транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение УК при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. возникают очень большие нелинейные искажения. Режим В характеризуется значительно более высоким к.п.д. усилителя по сравнению с режимом А, т. к. ток покоя I _б0 практически равен 0, а постоянная составляющая тока I ₀ имеет очень маленькое значение, т. е. I _кm >> I ₀. К.п.д. усилителя в режиме В может достигать 80 %. Поэтому режим В используется обычно в усилителях мощности.

Рисунок 2.10 – Положение рабочей точки в режиме А на характеристиках УК

Рисунок 2.11 – Положение рабочей точки в режиме В на характеристиках УК

Иногда используется режим работы УК, промежуточный между режимом А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка при этом должна находится в интервале между положениями рабочей точки в режиме 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 характеризуется тем, что рабочую точку П2 выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рисунок 2.12).

Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но к.п.д. может быть очень высоким и приближаться к 1. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего из-за больших нелинейных искажений.