1.10. Режимы работы усилителей (классы усиления)

В 1919 г. инженер «Bell Labs» Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работе были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1931 г. американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике. В 1950-е гг. классификацию дополнил класс D – режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились. Единого реестра классов усиления на сегодняшний день не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква может обозначать принципиально разные устройства.

При определении класса усилителя конструкторы радиоприёмных устройств оперируют понятием угла проводимости гармонического сигнала (доля периода гармонического сигнала, выраженная в градусах, в течение которой активный усилительный элемент находится в открытом состоянии), а конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока – выбором рабочей точки на выходной характеристике усилителя. Далее подробнее рассмотрим основные режимы работы транзисторных усилителей.

Режим А. Это такой режим работы усилительного элемента, в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку повторяет входной сигнал. В случае усилителя гармонических колебаний режим А – такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, т. е. угол проводимости равен 360°. Чтобы транзистор всегда оставался в открытом состоянии, задаётся соответствующее смещение на базе. Значение тока смещения подбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области линейного усиления с минимальными (полностью отсутствующими в идеальном случае) искажениями. Это его главное преимущество и недостаток одновременно, так как выходной сигнал

48

получается практически неискажённым, но потери энергии при использовании такого усилителя самые большие в сравнении с другими классами.

Режим работы транзистора в усилителе обычно задается при помощи специальных цепей смещения. При этом неважно, какая схема включения транзистора использована в каскаде усиления. Отличительной особенностью усилителя класса A является выбор напряжения на коллекторе транзистора (или на стоке полевого транзистора) равным половине напряжения питания транзисторного каскада усилителя. В качестве примера схемы, обеспечивающей работу транзистора в усилителе класса A, на рис. 1.36 приведена схема усилительного каскада с ОЭ и эмиттерной стабилизацией.

Рис. 1.36. Схема усилителя: а) класса А; б) выходной сигнал повторяет по форме входной (за исключением полярности) без искажений

При усилении достаточно мощных сигналов как звукового, так и радиочастотного диапазона очень важен такой параметр, как коэффициент полезного действия (КПД). Этот коэффициент определяется как отношение полезной мощности сигнала к мощности, потребляемой от источника питания. Определим максимальную мощность, отдаваемую в нагрузку:

P = I U = Ia2 ×U2a = Ia 2Ua .

При этом мощность, потребляемая от источника питания, составляет:

P0 = Iп Uп.

Максимальное значение амплитуды синусоидального тока Iа может быть равно току, потребляемому от источника питания Iп, а максимальное значение амплитуды напряжения – половине напряжения питания. Тогда максимальный КПД для усилителя класса A будет равен:

49

Максимальный КПД составляет 25 %, т. е. на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 3 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные усилители мощности звуковых частот (УМЗЧ) класса А распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения.

Режим B. В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить только половину входного синусоидального сигнала: положительную (лампы, NPN-транзисторы) либо отрицательную (PNP-транзисторы). При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит это значение. При работе усилителя класса B ток через транзистор протекает только половину периода, в результате форма тока на коллекторе транзистора искажается по сравнению с входной, т. е. появляются нелинейные искажения выходного сигнала (рис. 1.37).

Рис. 1.37. Выходной сигнал (верхний график) усилителя класса B. Входной сигнал (нижний график) значительно усиливается, при этом появляются нелинейные искажения

В усилителе класса B невозможно воспользоваться схемами коллекторной или эмиттерной стабилизации, так как коллекторный (или стоковый) ток транзистора мал, а в идеальном случае должен быть равен нулю. Поэтому

50

при проектировании усилительных каскадов класса B в основном используются схемы с фиксированным напряжением на базе. Благодаря малому току покоя транзистора, работающего в режиме B, температурный уход рабочей точки практически не происходит.

Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5 %, реального транзисторного каскада – примерно 72 %. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки. С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают.

Режим AB. Еще одним способом восстановления формы исходного сигнала является применение двухтактного усилителя, где верхняя и нижняя полуволны входного сигнала усиливаются разными плечами усилителя, а затем суммируются в нагрузке. Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в данном режиме существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. В усилителе класса АВ рабочая точка транзисторов выбирается таким образом, чтобы угол проводимости транзисторов незначительно превышал 180°.

Таким образом, каждый транзистор усиливает не ровно половину сигнала до пересечения нулевого значения, а чуть больше, и искажение выходного сигнала сглаживается, поскольку сигнал усиливается целиком без скачков и провалов, связанных с переключением транзисторов. Чтобы добиться включения необходимого режима транзисторов, к базам (затворам) подключаются несколько диодов или резисторов (рис. 1.38). В этой схеме разделение входного сигнала на верхнюю и нижнюю полуволны осуществляется за счет разных проводимостей биполярных транзисторов.

Среднее значение эффективности таких усилителей примерно такое же, как и у класса В – порядка 50 %, но они значительно выигрывают по качеству и чистоте выходного сигнала. Благодаря этим свойствам, а также относительной простоте конструкции и отладки, этот класс линейных усилителей используется наиболее часто.

51

а) б)

Рис. 1.38. Режим АВ: а) схема усилителя класса AB; б) выходной сигнал с усилителя (обратите внимание на отсутствие сдвига по фазе между входным и выходным сигналами)

Режим D. Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:

–ток через транзистор равен нулю при отличном от нуля напряжении;

–напряжение на транзисторе равно нулю при отличном от нуля токе. Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме,

при этом первое условие будет выполнено, если транзистор находится в режиме отсечки (полностью закрыт). Второе условие выполняется, если транзистор находится в режиме насыщения (полностью открыт).

Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзис- торов измеряется десятками и единицами мОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %, в наиболее экономичных образцах 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности. Амплитуда сигнала на выходе в таком случае будет иметь только два уровня. Для получения амплитуды сигнала, соответствующей входной, в ключевом режиме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Широтно-импульсная модуляция реализуется при помощи компаратора, на входы которого подаются полезный сигнал и пилообразное напряжение. В результате ширина импульса на его выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Этот процесс иллюстрируется рис. 1.39.

52

Как видно из рис. 1.39, средний уровень сигнала зависит от ширины импульсов. Чем она меньше, тем меньше будет средний уровень сигнала и наоборот. В спектре широтно-импульсной модуляции отмечается исходный низкочастотный звуковой сигнал, поэтому обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется при помощи фильтра нижних частот, который также является интегратором.

Несмотря на созвучие с английским словом digital (цифровой), усилители класса D не являются в общем случае цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной ШИМ – это полностью аналоговая схема (рис. 1.40). В её основе – задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет – на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя – усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.

53