Вопрос №2 Линейный и нелинейный режим работы ру

Усилительный каскад в зависимости от назначения может работать в следующих режимах: А, В, АВ, С, D.

Режим класса а

Режимом класса А усилительного элемента называется режим работы избирательного усилителя, при котором угол отсечки равен π.

Определение. Углом отсечки называется часть периода гармонического сигнала, подводимого к активному элементу, уменьшенная в два раза и выраженная в угловых единицах, в течение которых через этот элемент протекает электрический ток.

Обозначается угол отсечки символом θ. В этом режиме форма выходного сигнала практически полностью повторяет форму входного. Для создания такого режима необходимо, чтобы рабочая точка А (точка покоя U_ВХ=0) находилась в центре линейного участка характеристики усилительного элемента (рис.6.6). При воздействии входного напряжения его амплитуда не должна выходить за пределы этого линейного участка (крайние точки В и С). Поэтому этот режим называется режимом линейного усиления.

На выходе УЭ кроме гармонического сигнала с амплитудой первой гармоники I_A1 присутствует и постоянная составляющая тока I₀.

Достоинством режима класса А является низкий уровень нелинейных искажений. В то же время недостатком режима является низкий КПД (η=20÷30%), причиной которого является значительный расход энергии источника питания вследствие большой постоянной составляющей выходного тока I₀ (рис.6.6). В силу указанных достоинств и недостатков режим класса А используется в маломощных усилителях напряжения и мощности.

i_ВЫХ i_ВЫХ

C i_MAX

A I_A1

B i_MIN I_O

0 0 2π ωt

u_ВХ Θ=π

π

2π

ωt

Рис.6.6. Режим усиления класса А

Остальные режимы усиления относятся к нелинейным. При работе усилителя в этих режимах форма выходного и входного сигнала не совпадает – происходит искажение сигнала. Выходной ток протекает через УЭ только в течение некоторой части периода изменения входного напряжения и характеризуется двумя параметрами: максимальным значением выходного тока и углом его отсечки θ.

Режим класса В

Режимом класса В называется режим работы усилительного элемента, при котором угол отсечки θ равен π/2 (рис.6.7). Для получения режима класса В рабочая точка (точка А) выбирается так, как показано на графике (рис.6.7).

i_ВЫХ i_ВЫХ

A 0 I_MAX ωt

0 2π

u_ВХ

π Θ=π/2

2π

ωt

Рис. 6.7. Режим усиления класса В

При синусоидальном входном напряжении выходной ток имеет форму чередующихся через полупериод синусоидальных импульсов: положительный полупериод пропускается, а отрицательный не проходит. Так как в этом режиме изменяется форма выходного сигнала, то имеет место высокий уровень нелинейных искажений.

Достоинством режима является возросший уровень КПД, который достигает 60–70%. В этом классе усиления работают избирательные усилители мощности гармонических и импульсных сигналов.

Режим класса АВ

Режим класса АВ – режим работы УЭ, при котором угол отсечки находится в пределах (π/2÷π).

В этом режиме КПД ниже, чем в режиме класса В, но значительно выше, чем в режиме класса А. Недостатком режима являются сильные искажения формы сигнала.

Этот режим применяется в выходных каскадах даже при относительно малых уровнях выходной мощности.

Режим класса С

Режим класса С – режим работы УЭ, при котором угол отсечки менее π/2 (рис.6.8). Для создания такого режима рабочая точка А должна находиться левее нижнего сгиба входной характеристики.

i_ВЫХ i_ВЫХ

A 0 0 I_MAX ωt

u_ВХ π 2π

π Θ<π/2

2π

ωt

Рис.6.8. Режим усиления класса С

Этот режим самый экономичный: η=70÷90%. Вместе с тем, усилители, работающие в режиме класса С, вносят наибольшие искажения. Обычно в этом режиме работают мощные резонансные (избирательные) усилители.

Представляется важным знать, как изменяется КПД усилителя в различных режимах работы (при различных углах отсечки θ).

КПД усилителя определяется выражением η = Р / Р₀ , (6.18.)

где − полезная мощность, выделяемая в контуре при условии его настройки в резонанс;

I_а1 – амплитуда тока первой гармоники;

U_а – напряжение на аноде;

Р₀=I_а0E_а – мощность, подводимая к усилителю;

I_а0 – постоянная составляющая тока.

Подставив в формулу (6.18) значения Р и Р₀, можно получить

. (6.19)

В режиме класса А отношение I_а1/I_а0 не превосходит единицу, и отношение U_а/E_а 1. Таким образом в идеальном случае КПД в режиме класса А не превышает 50%. Только половина мощности источника питания обращается в полезную. Остальная часть мощности Р_А= Р₀ – Р = (1 - η)Р/η бесполезно расходуется на аноде лампы, превращаясь в тепло. В реальных условиях КПД в этом режиме η = 20÷30%.

В то же время амплитуда первой гармоники I_а определяется выражением

, (6.20)

где I_max – мгновенное значение анодного тока;

α₁ – коэффициент первой гармоники, являющийся функцией угла отсечки θ.

Постоянная составляющая тока определяется выражением

, (6.21)

где α₀ – коэффициент постоянной составляющей тока.

Коэффициент α₀ также является функцией угла отсечки. Коэффициенты α₀, α₁ называются коэффициентами Берга и сводятся в таблицы.

Если в выражение (6.19) подставить значения I_а1, I_а0, то можно получить

. (6.22)

Полагая, что в идеальном случае (U_A/E_A) ≈1, в формулу (6.22) можно подставить значения α₁, α₀ для различных режимов усиления.

Тогда в режиме класса В, когда угол отсечки θ = 90 ^о, а коэффициент Берга α₁= 0,5; α₀ =1/π, КПД будет равен η = π/4 ≈ 0,785, или η = 78,5%.

В режиме класса С, когда угол отсечки θ = 60%, а коэффициенты Берга α₁=0,391; α₀ = 0,218, КПД будет равен η = 0,9, или η = 90%.

Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что самым экономным режимом работы является режим класса С с углом отсечки менее 90 ^о. При θ→1 КПД η→1, но при этом полезная мощность стремиться к нулю. Это связано с тем, что с уменьшением угла отсечки θ и увеличением длительности паузы средняя мощность потерь уменьшается

. (6.23)

На практике обычно работают с углами отсечки, лежащими в пределах 30÷90^о (режимы классов В и С), и с КПД η = 0,75 ÷ 0,95 (75÷95%).

Режим класса D

В режиме класса D усилительный элемент, как правило транзистор, поочерёдно находится в одном из двух состояний: «полностью открыт» или «полностью закрыт». Переход из одного состояния в другое происходит практически мгновенно, что уменьшает потери энергии и резко увеличивает КПД. Усилители класса D в настоящее время из-за значительной сложности схемы используются редко. Однако они весьма перспективны для мощных устройств, выполненных на маломощных усилительных элементах.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Наличие колебательного контура, в качестве нагрузки, в резонансном усилителе позволяет использовать его как в линейном, так и в нелинейных режимах работы. Апериодические усилители, для сравнения, могут работать только в линейном режиме.

2. Для получения минимальных искажений используется линейный, а для получения максимального КПД – нелинейные режимы усиления.