1.3. Режимы работы усилительных элементов.

В процессе работы усилителей элемент может находиться как в открытом, так и закрытом состоянии. Соответственно, ток может протекать либо не протекать через усилительный элемент. В зависимости от того, какую долю периода усиливаемого колебания синусоидальной формы ток протекает через усилительный элемент, различают несколько режимов работы, которые принято обозначать заглавными буквами латинского алфавита.

Режимы работ характеризуются специальным показателем, который называется угол отсечки . Угол отсечки равен половине той части периода сигнала, выраженной в угловых единицах, в течение которой через усилительный элемент протекает выходной ток.

В угловых единицах этот показатель выражают для удобства сравнения работы при воздействии сигналов разных частот.

Режим работы А является самым распространенным. Он характеризуется тем, что выходной ток протекает в течение всего периода изменения входного сигнала. Следовательно, угол отсечки . В этом режиме напряжение смещения выбирается таким, чтобы исходная рабочая точка (ИРТ) находилась на середине линейного участка проходной характеристики (рис.1.9).

Рис.1.9.

Поэтому в режиме А амплитуды выходного тока и напряжения не превышают тока покоя и напряжения покоя . Учитывая, что напряжение покоя в исходной рабочей точке (ИРТ) равно половине напряжения питания U_П =E_ПИТ/2, то коэффициент полезного действия не превышает 25%;

(1.32)

что является недостатком режима А. Среднее значение выходного тока, потребляемого от источника питания, равно току покоя и практически не зависит от уровня сигнала. Это означает, что даже в отсутствие усиливаемого сигнала в выходной цепи протекает ток, от источника питания потребляется мощность.

В то же время в режиме А обеспечивается получение максимального коэффициента усиления при минимальных нелинейных искажениях сигнала. Это главное достоинство режима А. Соответственно, режим усиления А используется в каскадах предварительного усиления, а иногда в выходных и предоконечных каскадах малой мощности, когда КПД не играет решающей роли.

Режимом В называется такой режим, когда выходной ток через усилительный элемент протекает в течение половины периода усиливаемого сигнала, в течение другой половины периода ток равен нулю. Угол отсечки . Исходная рабочая точка совмещается с началом передаточной (проходной) характеристики (рис. 1.10).

Рис.1.10.

При отсутствии входного сигнала выходной ток усилительного элемента тока покоя I_П=0 равен нулю, что делает режим В очень экономичным. При наличии входного сигнала ток в выходной цепи протекает только в течение половины каждого периода, то есть имеет характер пульсирующих импульсов синусоидальной формы. Среднее значение выходного тока в режиме. В существенно меньше, чем в режиме А, расход энергии источника питания оказывается существенно меньше, а КПД каскада существенно больше, в режиме В значение КПД можно довести до 0,7. Режим В предпочтительнее использовать в усилителях средней и большой мощности.

В то же время режиму В свойственны большие нелинейные искажения из-за прерывистого характера тока. Они существенно ограничивают области применения режима В, несмотря на его высокую экономичность.

Для усиления как положительной, так и отрицательной полуволны применяют двухтактные усилители, в которых каждое плечо поочередно работает при одной из полуволн входного сигнала.

В режиме В нелинейные искажения возникают не только из-за усиления одной полуволны, но и вследствие использования начального нелинейного участка проходной характеристики. Для устранения этого недостатка в каскаде повышают напряжение смещения. При этом в выходной цепи начинает протекать некоторый ток покоя, который, как правило, существенно меньше максимального выходного тока

I_П=(5…10)% I_ВЫХmax

Режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения входного сигнала, называется режимом усиления АВ. Угол отсечки . Такой режим нашел широкое применение при построении выходных каскадов усилителей мощности. Он является основным для двухтактных каскадов. Хотя здесь потребляется некоторый ток покоя, но КПД лишь не значительно ниже, чем в режиме В. Преимущество – отсутствие искажений, вызванных нелинейностью начального участка проходной характеристики.

Режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает на интервале меньшем половине периода изменения входного сигнала, называется режимом усиления С. Выбор исходной рабочей точки осуществляется при постоянном входном напряжении меньшем, чем в начале проходной характеристики (рис.1.11). Угол отсечки .

Рис.1.12.

Этот режим соответствует расположению точки покоя (ИРТ) глубоко в области отсечки. Во многом он аналогичен режиму В. Режим С находит широкое применение в мощных резонансных усилителях передающих устройств, а также в усилителях с повышенным КПД. Он характеризуется несколько более высоким КПД и в то же время большими нелинейными искажениями.

Существенное отличие режима С от режима В состоит в том, что выходной ток отсутствует при малом уровне входного сигнала. Как правило, на усилительные каскады большой мощности, работающие в режиме С, полезный входной сигнал поступает достаточно большого уровня. Малого уровня сигналы – это посторонние шумы и помехи. Таким образом, режим С наряду с усилением полезного входного сигнала обеспечивает эффективное подавление шумов, помех и паразитных высших гармоник.

Режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме усилительный элемент может находиться только в состоянии включено или выключено называется ключевым режимом или режимом . Для биполярного транзистора это соответствует чередованию режимов насыщения и отсечки через активную область работы.

Исходная рабочая точка, как и в режиме А, выбирается на середине линейного участка проходной характеристики. Однако, в отличие от режима А уровень входного сигнала настолько высок, что он выходит за пределы этого линейного участка (рис.1.13).

Рис. 1.13.

Таким образом, ток в выходной цепи каскада, работающего в режиме D , может принимать максимальное I_ВЫХmax и минимальное I_ВЫХmin значения. Поэтому КПД такого каскада близок к единице.

Выходной ток и выходное напряжение в режиме D имеют форму прямоугольных импульсов. Фактически режим D осуществляет двустороннее ограничение выходного сигнала. Поэтому широко используется в усилителях – ограничителях, усилителях прямоугольных импульсов, импульсных устройствах.