Усилитель мощности - ликбез

         

ЧТО ТАКОЕ РЕЖИМ УСИЛЕНИЯ?


Усилительный каскад, схема которого приведена на рис. 5, а харак­теристики — на рис. 6, работает в так называемом режиме А. В этом ре­жиме токи через транзистор протекают непрерывно в продолжение всего периода полезного сигнала (рис. 7). При этом коллекторный ток даже в отсутствие сигна­ла не исчезает, а оказывается равным току покоя Iк т. Во время действия входного сиг­нала коллекторный (выходной) ток изменя­ется около значения Iк т. В режиме А ток Iк т во избежание отсечки и появления зна­чительных искажений должен быть больше амплитуды переменной составляющей Iк m. Поэтому даже в наивыгоднейшем режиме КПД каскада может достигнуть только 45%, но в этом случае усиление происходит с большими нелинейными искажениями, так как используются нелинейные участки характеристик. Остальные 55% энергии источника питания расходуются на нагрев транзисторов.

Рис. 7. Форма коллекторного тока при работе однотактного усилительного каскада в режиме А

Однако, если построить схему усилителя по принципу двухтактного уси­ления (рис. 8), то можно заставить транзисторы работать в значительно более экономичном режиме В. Двухтактный усилитель представляет собой совокуп­ность двух однотактных, работающих на общую нагрузку. Каждый из уси­лителей называется плечом, причем оба плеча должны быть симметричны. Для обеспечения симметрии они должны иметь транзисторы с одинаковыми пара­метрами и симметричные режимы по постоянному току. Такие режимы вы­полняются, если первичная обмотка выходного трансформатора Т состоит из двух одинаковых частей, и их входные напряжения ив% i и йвхг J симметрич­ны, т. е. одинаковы по значению, но противоположны по фазе. Если условия полной симметрии плеч соблюдены, то составляющие токов аналогичных элект­родов обоих транзисторов равны. Однако на практике идеальной симметрии до­стигнуть невозможно. Поэтому считают, что симметрия хорошая, если постоян­ные составляющие коллекторных токов транзисторов различаются не более чем на 10 — 15%.


Но пока будем считать симметрию полной, поскольку в этом слу­чае можно ограничиться рассмотрением любой половины схемы.

Если при работе усилителя в режиме А токи в коллекторных цепях тран­зисторов протекают непрерывно, то в режиме В каждое плечо двухтактного усилителя работает с отсечкой выходного тока. В режиме В смещение на базе транзисторов выбирают таким, чтобы угол отсечки выходного тока 0 получился равным п/2 (угол отсечки 9 равен выраженной в градусах половине продол­жительности прохождения тока через транзистор). Тогда при синусоидальном входном сигнале транзистор одного плеча в течение половины периода изме­нения сигнала будет заперт, и усиление входного сигнала происходит только в другой половине периода (см. рис. 8,6).



Рис. 8. Принципиальная схема двухтактного трансформаторного выходного кас­када (а) и форма тока одного из плеч (б)

Транзисторы обоих плеч каскада работают поочередно: один транзистор пропускает ток, другой заперт, а в следующий полупериод — наоборот. Таким образом, в режиме В постоянная составляющая коллекторного тока равна при­мерно одной трети амплитуды выходного тока Iк т. Первая гармоника выход­ного тока каскада пропорциональна амплитуде изменения коллекторного тока 1кт каждого транзистора и ее амплитуда Iвыхm = 0,51к т. Она больше постоянной составляющей в 1,5 раза, что является причиной высокого КПД каскада в режиме В. При максимальной мощности КПД достигает 78,5% (теоретически). Однако в работе транзисторов используются на­чальные и наиболее нелинейные участки входных характеристик, поэтому нелинейные искажения в этом режиме сравнительно велики (рис. 9,а). Когда входной сигнал отсутствует, то через коллекторы транзисторов вообще не дол­жен протекать ток (так как транзисторы заперты смещением). В действительности через коллектор каждого транзистора протекает небольшой ток, равный обратному току коллектора IКБО.



Рис. 9. Работа двухтактного каскада: а — в режиме В; б — в режиме АВ

Однотактный каскад может работать только в режиме А, двухтактный — в режиме А и в других режимах.


В режиме А он работает сравнительно ред­ко: лишь в тех случаях, когда желательно получить .минимально возможные не­линейные искажения усиливаемого сигнала. Мощность, снимаемая с каждого транзистора, и КПД не имеют существенного значения. Промежуточным между описанными режимами А и В является режим АВ. Для перевода каскада в этот режим надо выбрать смещение таким, при котором угол отсечки Фк=120°.

Конечно КПД каскада в режиме АВ меньше чем в режиме В, так как по­стоянная составляющая выходного тока Iк=0,41к т+Iк т. Поэтому КПД кас­када не превышает 60%, но зато нелинейные искажения меньше, чем в режи­ме В, поскольку начальные и нелинейные участки входных характеристик транзисторов не искажают формы выходного сигнала. На практике ток Iкт устанавливают таким, чтобы характеристики обоих плеч схемы как бы допол­няли одна другую, составляя общую прямую линию (рис. 9,6).

Если напряжение смещения очень мало, то каскад перейдет в режим С. В этом режиме транзистор имеет высокий КПД, так как постоянная состав­ляющая Iк очень мала по сравнению с Iк т, а угол отсечки ФК<9О°. Однако амплитуды высших гармоник (особенно второй и третьей) близки к амплитуде первой гармоники и форма выходного сигнала оказывается искаженной. По­этому режим С совершенно непригоден для усиления. Если каскад случайно оказался в этом режиме, то необходимо увеличить смещение и перевести кас­кад в режим АВ или В. Таким образом для работы в режиме В или АВ на­пряжение смещения надо выбирать таким, чтобы в исходном состоянии тран­зисторы были заперты, а при появлении даже очень слабого сигнала один и» них (какой — это зависит от полярности полупериода входного сигнала) сразу же открывался.

Все сказанное о выборе положения рабочей точки Т на характеристиках, о смещении, нелинейных искажениях и т. д. в полной мере относится к работе мощных транзисторов, у которых размах входного и выходного сигналов за­хватывает большую часть входной и выходной характеристик.При работе транзисторов с входным сигналом небольшого размаха положение рабочей точки на характеристике почти не меняется и нелинейные искажения не воз­никают. Однако и для таких транзисторов важен правильный выбор напря­жения смещения, так как от положения рабочей точки на характеристике в» многом зависят такие параметры транзистора, как коэффициент передачи тока h21э и предельная частота fh12Э, определяющая работу транзистора на высо­ких частотах. Обычно следует ориентироваться на режим, рекомендуемый в спра­вочниках: U кэ=5 В, Ik=1 мА. Но в принципе, этот режим не обязателен, не надо только ставить транзистор в крайние режимы, когда возникают нелиней­ные искажения, связанные с его работой на нелинейных участках характери­стик (особенно при токах коллектора менее 0,5 — 0,6 мА). Кроме того при ра­боте в максимальном режиме (коллекторное напряжение и ток максимальны) существенно снижается надежность транзистора.


Содержание раздела