РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

В зависимости о г положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также от значения усиливаемого на­пряжения различают три основных режима работы усилительных кас­кадов, или классов усиления: А, В, и С. Основными характеристика­ми этих режимов являются нелинейные искажения и КПД.

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) вход­ной и переходной характеристик транзистора. На рис. 3.18 для ре­жима А показано положение рабочей точки на переходной характерис­тике, линии нагрузки и выходных характеристиках транзистора. Зна­чение входного напряжения в режиме А должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке ха­рактеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого на­пряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительно­го каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широ­ко применяют в усилителях напряжения Однако он имеет и сущес­твенный недостаток — очень низкий КПД усилителя.

КПД усилителя определяется отношением выходной мощности к мощ­ности потребления усилителем энергии от источника питания. Выходнаямощность, создаваемая усилительным каскадом на транзисторе в режиме А,

,(3.29)

где  — соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Потребляемая усилителем энергия частично преобразуется в вы­ходную энергию, а частично переходит в теплоту, выделяемую в эле­ментах усилительного каскада. Мощность энергопотребления равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора:

(3.30)

Таким образом, КПД усилительного каскада

Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П выби­рают в начале переходной характеристики (рис. 3.19). Эта точка называ­ется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напря­жения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение усилительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т.е. нелинейные искажения очень большие. Режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности.

Режим В характеризуется значительно более высоким КПД усили­теля по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а постоянная составляющая тока при нали­чии входного напряжения имеет сравнительно небольшое значение. КПД усилителя, работающего в режиме В, может достигать 0,8.

Иногда используют режим работы усилительного каскада, проме­жуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. Рабо­чая точка покоя при этом должна находиться в интервале между пол­ожениями рабочей точки в режимах А и В. В этом случае КПД усили­теля больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

Рис.3.20. Работа усилительного каскада в режиме С

Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку Пвыбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного на­пряжения (рис. 3.20). Этот режим сопровождается большими искаже­ниями усиливаемого напряжения, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избира­тельных усилителях и-автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых устройств вы­деляют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие больших нелинейных искажений.

Вопрос 3.2. В каком диапазоне лежат обычно значения КПД уси­лительного каскада, работающего в режиме А?

Варианты ответа:

3.2.1. 𝜂 <0,25.

3.2.2. 0,25 <𝜂<0,5.

3.2.3. 0,5 <𝜂 <0,8.

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Рассмотренные в предыдущих параграфах усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах используются, как правило, или для усиления напряжения (усилительные каскады с общим эмит­тером и с общим истоком), или для усиления тока (усилительные кас­кады с общим коллектором и с общим стоком). Хотя каждый из этих усилительных каскадов обеспечивает получение на выходе сигналов, мощность которых значительно превышает мощность входных сиг­налов, но критерием оптимальности для них обычно бывает получе­ние не максимального коэффициента усиления по мощности , а получение  или

Однако в промышленной электронике очень часто возникает не­обходимость получения в нагрузочном устройстве максимальной мощ­ности усиленного сигнала. Усилительные каскады, обеспечивающие выполнение этого условия, т.е. получения  называют усилите­лями мощности.

Получение требуемой мощности в нагрузочном устройстве обес­печивается прежде всего выбором соответствующего транзистора. При выбранном транзисторе и заданном источнике усиливаемого сигнала получение максимальной мощности в нагрузочном устройстве воз­можно лишь тогда, когда его сопротивление равно выходному сопро­тивлению усилительного каскада, т.е. при равенстве сопротивлений генерирующего и приемного устройств.

Выходное сопротивление усилительных каскадов с общим эмитте­ром и общим истоком составляет обычно сотни ом и единицы килоом, а сопротивление нагрузочных устройств часто оказывается в несколько раз меньше. Для согласования сопротивлений нагрузочного устройства с выходным сопротивлением усилителя мощности служат понижающие трансформаторы (рис. 3.21), у которых приведенное к первичной обмот­ке трансформатора сопротивление нагрузочного резистора:

(3.32)

где  , — числа витков соответственно первичной и вторичной об­моток трансформатора.

Таким образом, при определенном коэффициенте трансформации

трансформатора можно добиться равенства  , т е. вы­полнения условия получения максимальной мощности в нагрузочном ус­тройстве. Из (3.32) видно, что это условия будет выполняться при

Для усилителей мощности важное практическое значение имеет коэффициент полезного действия, который существенно зави­сит от режима работы транзистора. Поэтому в усилителях мощности часто используют режим В, обеспечивающий более высокий КПД по сравнению с режимом А. Но в режиме В, как было показано, возни­кают значительные нелинейные искажения. Для их уменьшения слу­жат специальные двухтактные усилители мощности.

Двухтактный усилитель мощности (рис. 3.22) состоит из двух сим­метричных плеч. Транзисторы  и  которые подбирают с макси­мально близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме.

Рис. 3.22. Схема двухтактного усилителя мощности.

Единственным отличием в работе плеч усилителя является противо- фазность токов и напряжений в цепях баз транзисторов и обуслов­ленная этим противофазность переменных токов и напряжений в кол­лекторных цепях.

Назначение элементов двухтактного усилителя аналогично назна­чению соответствующих элементов однотактного усилителя с учетом того, что они обслуживают два транзистора. Входной трансформа­тор TV_ВХ обеспечивает получение двух одинаковых по модулю, но противоположных по фазе напряжений  и Выходной тран­сформатор TV_ВЫХ суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. Ко вторичной обмотке трансформатора TV_ВЫХ подклю­чено нагрузочное устройство с сопротивлением R_H.

Особенно ощутимы преимущества двухтактных усилителей при ис­пользовании режима В. В режиме В каждый из трансформаторов отк­рыт и участвует в формировании выходного напряжения только в тече­ние одного полупериода. Транзисторы работают как бы поочередно, образуя синусоидальное выходное напряжение из двух полусинусоид.

Преимущества двухтактных усилителей мощности — меньшие не­линейные искажения, возможность получения высокого КПД при ис­пользовании режима В.

Вместе с тем двухтактным усилителям мощности присущи недостат­ки, обусловленные усложнением их схемы и конструкции. К ним следует отнести необходимость в двух идентичных транзисторах и выходном трансформаторе с выводом средней точки первичной обмотки, наличие двух противофазных входных напряжений, для чего также требуется трансформатор с выводом средней точки или специальное устройство

Бестрансформаторные усилители мощности. БестрансформаторныИ усилитель мощности (рис. 3.23), являющийся двухтактным усилителем, собирают из транзисторов разных типов VT₁ —типа р-п-ри VT₂—типа п-р-п. Транзисторы обычно включают по схеме с общим коллекторов так как это обеспечивает минимальное выходное сопротивление, что особенно важно при работе усилителя на низкоомное нагрузочное устройство. Независимо от схемы включения транзисторы должны быть подобраны по возможности одинаковыми.

Рис. 3.23. Схема бестрансформаторного усилителя мощности

Конденсатор С₁ разделяет по постоянному току источник усили­ваемого сигнала и входную цепь усилителя мощности, а конденсатор С₂ —нагрузочное устройство и эмиттерные цепи транзисторов.

На базы транзисторов VT₁ и VT₂ воздействует одно и то же перемен­ное напряжение м_вх. Однако в силу различной структуры транзисторов токи в их цепях противофазны. Нагрузочное устройство с сопротив­лением R_H подключено к общей точке транзисторов, поэтому пере­менные токи в нем имеют одно и то же направление, а результирую­щий ток в два раза превышает переменный ток одного транзистора.

Бестрансформаторный усилитель мощности, как правило, работает в режиме В. Основное преимущество бестрансформаторного усилителя мощности — отсутствие входного и выходного трансформаторов. Недо­статок — трудность подбора одинаковых транзисторов типар-п-р и п-р-п.

Задача 3.11. Однотактный усилителе мощности на транзисторе КТ821 работает в режиме А на нагрузочный резистор сопротивлением R_H=20 Ом (рис. 3.21). Пользуясь семейством выходных характеристикI_K(U_K) транзистора KT821 (рис. 3.24), на которых изображена также кривая допустимой мощности, определить выходную мощность Р_н и коэффициент трансформации п выходного трансформатора, обеспе­чивающий коэффициент усиления по мощности, близкий к максималь­ному при минимальных нелинейных искажениях, если = 12,5 В.

Решение. На семействе выходных характеристик при 12,5 В выбираем рабочую точку О на кривой, соответствующей 3,5 мА Через эту точку проводим линию нагрузки таким образом, что­бы точка а, расположенная на кривой 5,5 мА, и точка b, располо­женная на кривой  1,5 мА, находились на одинаковом расстоянии от точки О. С помощью линии нагрузки определяемсопротивление

выходную мощность

коэффициент трансформации

Задача 3.12. Как изменится выходная мощность  усилителя мощ­ности задачи 3 11, если коэффициент трансформации уменьшится до 1,25⁹

Ответ Р_н = 0,3 Вт.

Задача 3.13.Определить коэффициент трансформации п выходно­го трансформатора однотактного усилителя мощности, если извест­но, что сопротивление нагрузочного резистора составляет 25 Ом, а приведенное сопротивление  = 625 Ом.

Ответ п = 5

Задача 3.14.Определить мощность источника питания двухтактного транзисторного усилителя мощности, работающего в режиме класса В, если Е_к =20 В Амплитуда коллекторного тока транзистора = 31,4 мА.

Ответ Р_н=0,4 Вт

Задача 3.15 В бесгрансформаторном усилителе мощности использо­вана пара транзисторов р-п-р и п-р-п -типов КТ814А — КТ815А, у которых кОм, =40-70 Сопротивление нагрузочного ре­зистора R_н = 80 Ом Определить выходную мощность Р_н, если U_вх = 2В.

Решение. Используя среднее значение h₂[~55, найдем значение коэффициента передачи по напряжению К_и каждого из двух усили­тельных каскадов с общим коллектором, составляющих бестрансфор- маторный усилитель мощности

Выходное напряжение ;

ток через R_н: 22,3 мА;

мощность  0,04 Вт.