Материал: Москатов Электроника 2010
166Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru
чѐн по схеме с общим истоком, то проходная динамическая характеристика будет иметь вид зависимости тока стока от напряжения затвор-исток. Если биполярный транзистор включѐн по схеме с общим эмиттером, то проходной динамической характеристикой будет выступать зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер.
Проходную динамическую характеристику часто строят, располагая входной и выходной статическими характеристиками. Входной статической характеристикой называют зависимость входного тока от напряжения, прикладываемого к входным цепям, при неизменном выходном напряжении. Выходной статической характеристикой именуют зависимость тока нагрузки, протекающего по выходной цепи каскада, от напряжения, снимаемого с выхода устройства, при фиксированном входном токе. График проходной динамической характеристики, получаемой, например, для биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, приведѐн на рис. 11.8.
Рис. 11.8. Проходная динамическая характеристика Зависимость Iб = f (Uбэ) – это входная статическая характеристика, а Iк = f (Uкэ) – это выходная статическая характеристика.
Классами усиления называют типовые режимы, в которых функционируют усилительные каскады, причѐм эти режимы зависят от размещения рабочей точки по отношению к проходной динамической характеристике. К наиболее часто используемым режимам следует отнести классы A, B, C, D, G, H, T, а также промежуточные
167Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru
классы AB и BC. Выходной ток каскада может течь как в течение всего периода, так и лишь некоторую его часть. Углом отсечки именуют половину длительности периода, в течение которой по нагрузке течѐт выходной ток каскада. Угол отсечки, обозначаемый «Θ», приводят в градусах.
11.5.2. Режим работы класса A
Рабочая точка каскада, функционирующего в режиме работы класса «A», лежит на линейном фрагменте проходной динамической характеристики. Для этого необходимо организовать смещение, то есть подачу на вход каскада (после разделительного конденсатора или трансформатора между общим проводом и либо затвором, либо базой, либо сеткой) небольшой постоянной составляющей напряжения, для чего обычно используют делитель напряжения источника питания. В режиме класса «A» амплитуда входного сигнала меньше, чем величина смещающего напряжения [175, с. 152]. Угол отсечки каскада класса «A» составляет 180°, то есть постоянный ток через активный усилительный компонент каскада протекает в течение длительности всего периода, даже если входной сигнал отсутствует. Если сигнал на вход каскада класса «A» не подан, то место, через которое проходит линия нагрузочной прямой и требуемая ветвь выходной статической характеристики, носит название рабочей точки покоя. В связи с тем, что амплитуда переменной составляющей тока выходного сигнала меньше постоянной составляющей тока этого сигнала, которая приводит лишь к выделению тепла, то КПД каскада не велик. Наибольше теоретическое значение КПД каскада в классе «А» составляет 50% [168, с. 157; 95, с. 252], и превышение этого КПД для данного класса невозможно даже в идеальном случае. А КПД каскада класса «A», обычно достижимый на практике, редко превышает 20%. Столь низкий КПД представляет основной недостаток устройств данного класса. Поэтому в классе «A» обычно
168Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru
функционируют предварительные каскады, а оконечные усилители мощности в этом классе работают редко.
К достоинству класса «A» нужно отнести появление минимальных, относительно остальных классов усиления, нелинейных искажений, ввиду нахождения рабочей точки в линейной области.
11.5.3. Режим работы класса B
Напряжение смещения каскада, функционирующего в режиме класса «B», выбирают таким, чтобы рабочая точка покоя была расположена около нуля в начале координат, а ток, потребляемый каскадом в отсутствии сигнала, был незначительным. Угол отсечки в классе «B» составляет 90°, то есть ток нагрузки течѐт лишь половину длительности периода. В отсутствие сигнала, подлежащего усилению, постоянная составляющая тока нагрузки отсутствует, а КПД каскада довольно высок. Максимальная теоретическая величина КПД каскада в классе «B» составляет 78,5% [168, с. 158; 95, с. 258]. На практике КПД каскада в классе «B» часто доходит до 60% … 65%, что представляет достоинство по сравнению КПД каскада в классе «A».
Важным недостатком режима класса «B» выступают большие нелинейные искажения, что ограничивает применение этого режима оконечными двухтактными усилителями мощности.
11.5.4. Режим работы класса AB
Каскад в классе «AB» работает в «гибридном» режиме, когда угол отсечки больше 90°, но меньше 180°, а рабочая точка лежит на изгибе вблизи нуля у начала координат проходной динамической характеристики. В случае отсутствия входного сигнала или при его малой амплитуде активные компоненты функционируют в классе «A», а если уровень сигнала превысит определѐнный порог, то будет осуществлѐн переход работы в класс «B». Ток покоя каскада в
169Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru
классе «AB» будет много ниже, чем в режиме класса «A», а КПД устройства будет большим, чем в классе «A», но меньшим, чем в классе «B». Нелинейные искажения сигнала, усиленного каскадом в классе «AB», не велики, а практически достижимый КПД таких устройств может составлять примерно 50% … 55%. Таким образом, класс «AB» вобрал лучшие черты классов «A» и «B» – низкие нелинейные искажения при довольно высоком КПД. Распространѐнное применение каскадов в классе «AB» заключено в изготовлении оконечных двухтактных усилителей мощности с низким уровнем гармоник.
11.5.5. Режим работы класса C
Каскад в классе «C» имеет угол отсечки больше 10°, но меньше 90°, а напряжение смещения в классе «C», обладающее отрицательной величиной, будет значительней, чем в классе «B». В результате выходной сигнал состоит из положительных полуволн с отсечкой тока нагрузки и похож на импульсы малой длительности. КПД каскада в классе «C» может достигать 75% … 85%, однако нелинейные искажения чрезвычайно велики, что ограничивает использование этого класса оконечными каскадами передатчиков, в которых искажение формы сигнала не столь пагубно, как в усилителях звуковой частоты; резонансными усилителями; умножителями частоты и пр. Более того, для умножителей частоты богатый гармониками спектр выступает достоинством, а не недостатком. Иногда для усиления сигналов применяют промежуточный класс «BC», в котором КПД будет выше, чем в классе «B», а нелинейные искажения будут меньше, чем в классе «C».
170Москатов Е. А. Электронная техника. Начало. http://moskatov.narod.ru
11.5.6. Режим работы класса D
Каскад в классе «D» имеет активные компоненты, работающие в ключевом режиме, а требуемое изменение огибающей напряжения выходного сигнала происходят благодаря соответствующему быстрому регулированию коэффициента заполнения широтномодулированных импульсов, которые пропорциональны амплитуде аналогового сигнала, подаваемого на вход устройства. Так как ключевые транзисторы лишь короткий интервал времени пребывают в линейном режиме, а в основном – в режимах отсечки и насыщения, то КПД каскада в классе «D» может быть очень высоким и достигать 85% … 90% при усилении музыкального сигнала. Именно высокую энергетическую экономичность относят к важнейшему достоинству усилителей класса «D», что позволяет их рекомендовать для применения в ноутбуках, сотовых телефонах и других устройствах. В ключевом режиме основной причиной уменьшения КПД выступают потери в динамическом режиме, т.е. при переключении активных компонентов. Меньший вклад в снижение КПД вносят потери в статическом режиме.
11.6. Сведения об обратных связях и о влиянии, которое они оказывают на работу усилителей
11.6.1.Основная информация об обратных связях
Вэлектронике обратной называют связь, под действием которой на вход устройства попадает некоторая часть энергии с его выхода. Цепью обратной связи называют путь, по которому сигнал с выхода поступает обратно на вход.
По формированию обратные связи подразделяют на три вида: паразитные, внутренние и искусственные. Паразитные обратные