5.3. Режимы работы усилительных элементов

Усилительные элементы могут работать в следующих основных режимах: "А", "В", "С", "D" (ключевой режим). Существуют и другие режимы работы УЭ, которые представляют собой разновидности основных режимов.

Режим работы УЭ определяется в основном положением начальной рабочей точки (точки покоя) на вольтамперных характеристиках УЭ, которое обеспечивается определенным режимом питания УЭ по постоянному току, то есть подачей соответственных постоянных напряжений и токов во входные и выходные цепи УЭ.

Рассмотрим сущность, области применения, достоинства и недостатки основных режимов работы. Рассмотрение проведем на примерах однотактных апериодических каскадов при включении БТ, ПТ, ЭЛ по схемам с ОЭ, ОИ, ОКат (рис.5.4,а,б,в) по сквозным или проходным динамическим харак-теристикам при воздействии на входы УЭ простейшего гармонического сигнала, например, косинусоидального сигнала. Сквозные (или проходные) динамические характеристики будем считать уже построенными. Порядок их построения будет рассмотрен дальше в этой же главе. Здесь же, забегая вперед, следует отметить лишь следующее. Если УЭ работает со входными токами, то есть управляется не только входным напряжением, но и входным током сигнала (как БТ), то для более полного учета его свойств при рассмотрении режимов работы используют сквозную динамическую характеристику , причем , где и – ЭДС и выходное сопротивление тракта, предшествующего усилительному элементу. Если же УЭ работают без входных токов сигнала, то есть управляются только входным напряжением сигнала (как ПТ и ЭЛ), то при рассмотрении их режимов работы используют проходную динамическую характеристику , так как в этом случае и сквозная динамическая характеристика совпадает с проходной.

Режим "А" это такой режим работы УЭ, при котором точка покоя расположена в середине линейного участка сквозной или проходной динамической характеристики (что обеспечивается подачей во входную цепь УЭ необходимого смещения), а ток в выходной цепи УЭ протекает в течение всего периода сигнала, причем рабочая точка не выходит за пределы линейного

Рис. 5.11

участка динамической характеристики. Рис.5.11,а иллюстрирует режим "А" для БТ, а рис.5.11,б – для ПТ и ЭЛ.

Достоинством режима "А" являются малые нелинейные искажения сигнала. Недостатком режима "А" является сравнительно невысокие энергетические показатели. Это выражается, прежде всего, в сравнительно низком КПД выходной цепи УЭ:

. (5.1)

Из (5.1) видно, что КПД зависит от отношения амплитуды выходного тока сигнала к среднему значению выходного тока (постоянной составляющей) и от отношения амплитуды напряжения сигнала на выходе УЭ к напряжению источника питания : чем они больше, тем выше КПД. В режиме "А" теоретические максимально возможные значения этих отношений будут и . В этом случае из (5.1) получается . Это означает, что только половина потребляемой выходной цепью УЭ мощности от источника питания преобразуется в мощность сигнала. Другая половина безвозвратно теряется на выходном электроде УЭ, вызывая его ненужный нагрев, что может вывести УЭ из строя.

В дополнение к этому низкие энергетические показатели обусловлены также тем, что выходная цепь УЭ потребляет мощность от источника питания не только в процессе усиления сигнала, но и при отсутствии сигнала, то есть в состоянии покоя схемы (в состоянии ожидания сигнала).

Режим "А" широко применяется в предварительных каскадах, как однотактных, так и дифференциальных (в ОУ), в которых вопрос о КПД остро не стоит вследствие их маломощности, а также в сравнительно маломощных однотактных и двухтактных выходных каскадах при .

Режим "В" (рис.5.12,а,б) – это режим работы УЭ, при котором точка покоя выбирается на нижнем конце идеализированной (спрямленной) сквозной или проходной динамической характеристики (что обеспечивается подачей соответствующего тока или напряжения смещения), а ток в выходной цепи УЭ протекает в течение половины периода сигнала (идеализированный режим "В").

В идеальном режиме "В" ток покоя в выходной цепи УЭ равен нулю . При подаче во входную цепь УЭ косинусоидальной ЭДС сигнала выходной ток в идеальном режиме "В" прекратится при (рис.5.12,а,б). Угол, соответствующий моменту прекращения выход-ного тока, называется углом отсечки . В идеальном режиме "В" .

Рис. 5.12

В реальном режиме "В" точка покоя находится на реальной характеристике в месте пересечения с ней перпендикуляра, восстановленного из идеальной точки покоя (рис.5.12,а,б). В реальном режиме "В" ток покоя больше нуля, но составляет лишь (5…15)% от , а угол отсечки немного превышает . Реальный режим "В" иногда называют режимом "АВ", поскольку он является промежуточным между идеальным режимом "В" и режимом "А".

Из рис. 5.12,а,б видно, что при воздействии на вход УЭ в режиме "В" биполярного сигнала (в данном случае косинусоидального сигнала) на выходе УЭ получается только половина усиленного сигнала, соответствующая той полярности входного сигнала, при которой УЭ открывается.

Другая половина сигнала отсекается, что приводит к большим нелинейным искажениям. Поэтому режим "В" нельзя использовать в однотактных каскадах апериодических усилителей гармонических сигналов и биполярных импульсов. В апериодических усилителях гармонических сигналов и биполярных импульсов его можно использовать лишь в двухтактных каскадах, которые, как отмечалось ранее, представляют своеобразную комбинацию двух однотактных каскадов, образующих два плеча двухтактного каскада, работающих в противофазе. В классическом варианте двухтактного каскада (рис. 5.13) на входы плечей каскада подаются два симметричных напряжения сигнала (рис.5.13 и 5.14,а,б).

Рис. 5.13

Каждое плечо двухтактного каскада работает как показано на рис. 5.12. Плечи каскада работают поочередно: когда открывается первое плечо, второе запирается и наоборот. В результате на выходах плечей каскада возникают усиленные напряжения сигнала и (рис.5.13 и 5.14,б,г). Результирующее усиленное напряжение сигнала на симметричном выходе каскада будет определяться разностью

Рис. 5.14

(рис.5.13 и 5.14,д) и, как видно из рис.5.14,д, будет строго косинусоидально. Таким образом, применением двухтактного каскада устраняется отмеченный выше органический недостаток режима "В": двухтактный апериодический каскад в режиме "В" позволяет усиливать биполярные сигналы (как гармонические, так и импульсные) без искажений.

Большим достоинством режима "В" является более высокие, чем в режиме "А", энергетические показатели. Это выражается прежде всего в более высоком КПД выходной цепи УЭ

, (5.2)

максимальное теоретическое значение которого равно . Это подробно показывается дальше при детальном рассмотрении различных вариантов схем двухтактных апериодических каскадов. Но в общем виде это можно доказать и сейчас на основе рис.5.12. Действительно, разложением в ряд Фурье идеализированных импульсов выходного тока УЭ (рис.5.12,а,б) можно показать, что выходной ток содержит первую, вторую, третью, четвертую и т.д. гармоники и среднее значение тока, из которых наиболее интересующие нас амплитуда первой гармоники выходного тока (полезный сигнал) и среднее значение выходного тока (ток, потребляемый от источника питания) будут соответственно равны

, (5.3)

. (5.4)

Из (5.3) и (5.4) следует, что отношение амплитуды первой гармоники (полезного сигнала) к среднему значению выходного тока в режиме "В" равно (в то время как в режиме "А" это отношение в лучшем случае стремится к единице ). Подставляя это значение в формулу для КПД (5.2) и полагая в ней, как и в режиме "А", , получим максимально возможное значение КПД в режиме "В":

, (5.5)

которое более чем в 1,5 раза выше по сравнению с режимом "А".

Но высоким КПД выходной цепи УЭ не исчерпываются достоинства режима "В". Его считают экономичным режимом работы еще и потому, что в состоянии покоя (при отсутствии сигнала) УЭ в идеальном режиме "В" не потребляет мощность от источника питания, а в реальном режиме "В" это потребление незначительно. В процессе же усиления сигнала потребление мощности от источника питания зависит от уровня сигнала: при увеличении уровня сигнала потребление мощности увеличивается, при снижении уровня сигнала – уменьшается.

Из-за своей экономичности режим "В" получил очень широкое применение в мощных выходных двухтактных каскадах апериодических усилителей гармонических сигналов или биполярных импульсов. Его также используют в переносных устройствах даже сравнительно небольшой мощности, питаемых от электрических батарей и аккумуляторов, что позволяет продлить срок службы этих источников питания.

В случае необходимости экономичный режим "В" можно использовать и в однотактных апериодических каскадах для усиления импульсов одной полярности, а также в однотактных избирательных каскадах для усиления гармонических сигналов в узкой полосе частот. В последнем случае избирательная нагрузка, например, параллельный резонансный контур, выделяет из выходного тока УЭ (см. рис.5.12,а,б) практически неискаженную первую гармонику, являющуюся усиленным сигналом.

Режим "С" это такой режим работы УЭ, при котором точка покоя находится на горизонтальной оси левее точки пересечения идеализированной сквозной или проходной динамической характеристики с горизонтальной осью, а ток в выходной цепи УЭ при отсутствии входных сигналов или при малой величине их равен нулю (рис. 5.15,а,б).

В режиме "С" угол отсечки выходного тока меньше . Из рис. 5.15,а,б ясно, что в апериодических усилителях гармонических сигналов или двуполярных импульсов режим "С" не даст возможности получить на их выходе сигнал той же формы, что и на входе, даже при использовании двухтактных каскадов. Поэтому в апериодических усилителях гармонических сигналов или биполярных импульсов режим "С" не применяется. При апериодическом усилении его можно использовать лишь в однотактных каскадах для усиления только однополярных прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой (или однополярных прямоугольных импульсов с разными амплитудами, если не требуется сохранять пропорциональность выходных импульсов входным).

Зато нет препятствий для применения режима "С" в каскадах избирательного усиления гармонических сигналов произвольной формы в узкой полосе частот. Частотно-избирательная нагрузка этих каскадов, например, параллельный резонансный контур выделяет из импульсов выходного тока УЭ в режиме "С" (рис. 5.15,а,б) практически неискаженную первую гармонику, являющуюся усиленным сигналом.

Оценим энергетические показатели режима "С" в таких каскадах.

Разложением в ряд Фурье импульсов выходного тока УЭ в режиме "С" (рис. 5.15,а,б) можно показать, что отношение амплитуды первой гармоники выходного тока (усиленного сигнала) к его среднему значению будет больше, чем в режиме "В". Поэтому КПД выходной цепи УЭ в режиме "С" оказывается еще больше, чем в экономичном режиме "В" и увеличивается с

Рис. 5.15

уменьшением угла отсечки , достигая 80 и более процентов. Режим "С" экономичнее режима "В" и в состоянии ожидания сигнала, так как ток покоя в режиме "С" отсутствует.

Вследствие высокой экономичности режим "С" нашел широкое применение в однотактных и двухтактных каскадах мощных усилителей радиочастоты (УРЧ), избирательные системы которых выделяют полезный сигнал и подавляют все высшие гармоники, о чем подробно говорится в дисциплине "Радиопередающие устройства".

Режим "Д" (ключевой режим) это такой режим работы УЭ, при котором он во время работы находится только в двух состояниях, либо полностью открытом, когда ток в его выходной цепи максимальный , а напряжение между выходными электродами близко к нулю, либо в полностью закрытом, когда ток в его выходной цепи близок к нулю, а напряжение между выходными электродами максимально и близко к напряжению источника питания Е_в.

Достоинством этого режима работы УЭ является очень высокий КПД выходной цепи УЭ, близкий к 100 %. Это объясняется тем, что в обоих состояниях потери мощности в УЭ очень малы .

Очевидно, что режим "Д" можно использовать только для усиления прямоугольных импульсов произвольной длительности и скважности с ограничением их по максимуму: напряжение усиленных импульсов на выходе УЭ оказывается практически равным напряжению источника питания и не зависит от амплитуды входных импульсов. Такое усиление прямоугольных импульсов широко используется в различных современных устройствах и системах.

При необходимости использования режима "Д" для усиления гармонических сигналов произвольной формы и амплитуды нужно этими сигналами промодулировать по длительности прямоугольные импульсы постоянной амплитуды, имеющие частоту следования, значительно превышающую максимальную частоту сигнала: при этом длительность импульсов изменяется пропорционально мгновенному значению напряжения сигнала. Эти промодулированные по ширине импульсы усиливают с помощью каскадов в режиме "Д", после чего преобразуют (демодулируют) в первоначальный сигнал. Идея проста и понятна, однако в целом устройство оказывается сложным из-за сложных модулирующих и демодулирующих устройств. Оправданием такого усложнения может быть только достигаемый вследствие высокого КПД энергетический выигрыш, который может быть весьма значительным в очень мощных гармонических усилителях, таких, например, как трансляционные и модуляционные усилители звуковых частот.

Кроме рассмотренных основных режимов работы УЭ существуют и такие их разновидности, как режим "АВ", режим "В" и "С" с токами управляющей сетки, режим "Е" и др. Их суть сводится к следующему.

Режим "АВ" является промежуточным режимом между режимами "А" и "В". В этом режиме угол отсечки больше , но меньше , ток покоя УЭ составляет примерно 0,2…0,3 от его максимального значения . Он используется в двухтактных апериодических каскадах для уменьшения нелинейных искажений, возникающих из-за нелинейности начальных участков вольтамперных характеристик УЭ, а также для упрощения цепей питания УЭ.

Режимы "В" и "С" с токами управляющей сетки это такие режимы работы мощных ламповых каскадов, при которых на вход каскада подают амплитуду сигнала, превышающую напряжение отрицательного смещения на управляющей сетке лампы , что позволяет полнее использовать сквозную (проходную) динамическую характеристику лампы и увеличить амплитуду тока сигнала в цепи анода , а, следовательно, увеличить мощность сигнала, отдаваемую лампой в нагрузку (или получить ту же мощность при более низком напряжении анодного питания).

Недостатком этих режимов является появление дополнительных нелинейных искажений из-за сеточных токов в интервале времени от t₁ до t₂, когда напряжение на сетке оказывается положительным (рис. 5.16).

Рис. 5.16

Для уменьшения этих нелинейных искажений применяют особые схемы предвыходных каскадов с малым выходным сопротивлением и отрицательную обратную связь.

Режим "В" с токами управляющей сетки используется в очень мощных ламповых двухтактных апериодических каскадах усилителей гармонических сигналов различных частот (в модуляционных и трансляционных усилителях звуковых частот).

Режим "С" с токами управляющей сетки используется в мощных однотактных и двухтактных избирательных каскадах УРЧ в радиопередающих устройствах.

Режим "Е" – это режим "В" (или "АВ"), в котором точка покоя не зафиксирована, а изменяет свое положение на семействе выходных статических характеристик УЭ в зависимости от уровня усиливаемого сигнала, вследствие изменений постоянного напряжения между выходными электродами, подаваемого на УЭ от источника питания, регулируемого сигналом. При этом достигается большой и постоянный при любом уровне сигнала коэффициент использования постоянного питающего напряжения и, как следствие этого, высокий КПД выходной цепи УЭ (порядка 90 %). Этот режим используется в мощных выходных двухтактных апериодических каскадах усилителей гармонических сигналов различных частот.