Режимы работы усилительных элементов

Описание классов и режимов работы каскадов предварительного усиления, а также выходных каскадов усилителей мощности

Работа любого усилительного элемента, будь то транзистор или лампа, определяется режимом их работы. Однако всегда следует понимать, что любой усилительный элемент может работать в линейном режиме усиления только на некотором участке передаточной характеристики (ВАХ). В зависимости от выбранного режима может возникнуть ситуация, когда при слишком низких уровнях подводимого сигнала транзистор или лампа ещё не могут усиливать (находятся в режиме отсечки, или, как говорят, ещё не открылись), а при слишком высоких входных уровнях входят в насыщение и перестают усиливать, работая в режиме ограничения.

В схемотехнике существует несколько режимов работы усилительных элементов, отличающихся друг от друга свойствами, а соответственно, и имеющих различные области применения.
В зависимости от положения рабочей точки на передаточной характеристике усилительного элемента, принято различать 4 режима работы каскада (или класса усиления): А, B, АВ и С.
Это традиционные режимы, которые используются для аналогового усиления сигнала. Для цифрового же усиления усилительный элемент загоняется в ключевой режим, а такой класс усиления называется - классом D.
На самом деле у различных производителей РЭА можно обнаружить и массу других букв, которыми если постараться, то можно практически полностью заполнить латинский букварь. Однако, как было справедливо отмечено в журнале "EDN Europe": "Сочинение новых классов усилителей - не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компаниям больше вреда, чем пользы...".

Основными характеристиками, на которые влияет выбор режима элемента усиления, являются - уровень нелинейных искажений и КПД каскада. Поговорим поподробней о каждом из режимов.

1. Режим класса А

Рис.1

На рисунке Рис.1 красным цветом обозначена передаточная характеристика усилительного элемента (транзистора или лампы), представляющая собой зависимость выходного тока каскада от поступающего на вход напряжения. Синим - входное напряжение, чёрным - соответственно, выходной ток элемента. Режим А характеризуется тем, что рабочая точка ( р.т.) в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) передаточной характеристики, а любые допустимые значения входного сигнала (напряжения или тока) не вызывают изменения выходного тока. Каким следует выбрать ток покоя элемента для режима А?

Как минимум не ниже пикового тока, отдаваемого каскадом в нагрузку!
Теоретический КПД такого каскада при неискажённом усилении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %.
На практике - около 40...45% для двухтактных каскадов и около 30% - для однотактных.

Данный класс А является наиболее линейным режимом усиления и характеризуется минимальными значениями гармонических искажений, в связи с чем нашёл практически повсеместное применение в усилителях напряжения входных и промежуточных каскадов.
В выходных каскадах усилителей мощности (в связи с низким КПД) применяется гораздо реже и в основном бывает замечен в аппаратуре класса High End.

2. Режим класса В

Рис.2

Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики усилительного элемента (Рис. 2), в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток, а соответственно и потребляемая каскадом мощность близки к нулю. В режиме B усилительный элемент способен воспринимать либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные – другим. В нагрузке усиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма.

Режим B характеризуется гораздо более высоким значением КПД усилителя (по сравнению с режимом А), которое может достигать 80%.
Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе - поэтому в усилительных элементах в режиме B как правило устанавливается небольшой, но не нулевой, ток покоя (10...30мА).

Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный режим АВ.

3. Режим класса АВ

Рис.3

Отличительным свойством режим АВ является то, что его рабочая точка тока покоя занимает промежуточное положение на передаточной характеристике между началом координат и серединой линейного участка (Рис.3). Ток покоя каскада в режиме AB на порядок выше (сотни мА), чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток покоя, необходимый для режима А. Поэтому данный режим работы усилителя характеризуется достаточно высокими значениями КПД (60...70%) при относительно небольших уровнях нелинейных искажениях формы выходного сигнала. Что, собственно говоря, и определило его повышенную популярность в двухтактных выходных каскадах усилителей мощности.

4. Режим класса С

Рис.4

В режиме класса C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана таким образом, что при нулевом напряжении на входе усилительный элемент наглухо заперт (Рис.4). Если рассматривать каскады на биполярных транзисторах - то р.т. находится за точкой отсечки полупроводника, т.е. на 0,6...0,7В ниже начала области относительной линейности. Данный режим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к 100%. Хотя на практике реальные значения КПД составляют 80...90%.

Из-за высоких уровней нелинейных искажений каскады, работающие, в режиме С, даже в двухтактном исполнении, редко используются для усиления широкополосных сигналов.
А вот в резонансных усилителях радиопередающих устройств они, напротив, нашли широкое применение благодаря их высокому КПД.

4. Режим класса D

Режим D – это ключевой режим работы, при котором управляющий элемент (транзистор) может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Главным достоинством данного режима является очень высокое (близкое к 100%) значение КПД устройства.

Используя усиление поступающих на вход прямоугольных импульсов изменяемой скважности (ШИМ-модуляция), такой режим широко используется во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления энергии он практически вытеснил все остальные классы усилителей.

А после начала производства силовых МДП-транзисторов, стал возможен массовый выпуск УМЗЧ класса D с реальным значением КПД - 90...95%.

Рис.5 Структурная схема усилителя класса D

На Рис.5 изображена распространённая структурная схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Работает это устройство следующим образом.
Гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада на силовых полевых транзисторах, преобразуются в прямоугольные импульсы, модулированные по ширине (скважности).
После усиления модулированных импульсов, посредством LC фильтра осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал первоначальной гармонической формы.
Выглядит это примерно так:


Рис.6 Импульсный сигнал усилителя класса D

Здесь импульсный сигнал, сформированный управляющей схемой методом сравнения амплитуд: задающего генератора сигнала треугольной формы и входного гармонического сигнала, используется для управления выходными силовыми транзисторами. Положительная полярность импульсов управляет верхним ключом (Рис.5), отрицательная - нижним.

Поскольку подробная информация о типах, модификациях и принципах работы ключевых усилителей класса D довольно скудно представлена на полях сетевых знаний, то этому классу мы посвятим отдельную статью, где и возместим данную несправедливость. И сделаем мы это, не отходя от кассы, подробно и без матерных излишеств, но на следующей странице.

Дальше