Режимы работы усилительного элемента

Режимом класса А, или просто режимом А, называют такой режим работы усилительного элемента или усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает в течении всего периода сигнала и крайние положения рабочей точки не выходят за пределы рабочей, относительно прямолинейной сквозной или проходной динамической характеристики (рис. 1). Если проще, то режим А - это такой режим, при котором ток на выходе протекает в течении всего периода сигнала, а положение рабочей точки не выходит за пределы прямолинейного участка проходной динамической характеристики. При входном сигнале, имеющем оба полупериода одинаковой амплитуды, для обеспечения сказанного точка покоя должна находиться в середине прямолинейного участка характеристики, что достигается подачей соответствующего тока или напряжения смещения во входную цепь. Если проще, то в режиме А рабочая точка должна находиться на середине прямолинейного участка характеристики.

Рис. 1 - Работа усилительного элемента в режиме А

Из рисунка видно, что в режиме А амплитуда переменной составляющей выхордного тока I_max не может быть больше тока покоя I₀. Среднее значение тока выходной цепи I_ср почти не изменяется при изменении амплитуды сигнала и мало отличается от тока покоя вследствие почти равной площади положительной и отрицательной полуволн переменной составляющей выходного тока.

Из-за большой величины тока покоя как при сигнале, так и без него КПД режима А (КПД есть отношение отдаваемой мощности к мощности потребляемой) довольно низок, что является основным недостатком режима А. К достоинствам же относятся малые нелинейные искажения, обусловленные работой усилительного элемента на почти прямолинейном участке его характеристики, в результате чего форма выходного тока почти не отличается от формы входного сигнала. К тому же, режим А возможно применять как в однотактных, так и в двухтактных каскадах при усилении сигналов любой формы.

Вследствие указанных свойств режим А применяется в каскадах предварительного усиления, а также в мощных каскадах с невсокой выходной мощностью, где использование двухтактной схемы нецелесообразно. В каскадах мощного усиления с большой выходной мощностью режим А не применяется из-за низкого КПД. Примерно так написано в умных книжках, однако известно немало схем, где в выходных каскадах используется именно режим А, обладающий малыми искажениями.

Режимом класса В или просто режимом В называют такой режим работы усилительного элемента или каскада, при котором ток в выходной цепи существует в течении половины периода сигнала (рис. 2). Точка покоя в режиме В расположена на нижнем конце идеализированной, т. е. спрямлённой динамической характеристики, для чего во входную цепь вводят смещение необходимой величины.

Рис. 2 - Работа усилительного элемента в режиме В

В идеале ток покоя в режиме В равен 0. Если во входную цепь подается косинусоидальная составляющая e_ист = Е_ист.mcosωt выходной ток прекратится в точке ωt = π / 2. Угол, соответствующий моменту прекращения тока, называют углом отсечки и обозначают греческой буковкой Θ. Другими словами, при идеальном режиме В угол отсечки равен π / 2 = 90º, а выходной ток существует в течение полупериода.

Поскольку в режиме В ток покоя равен 0, а среднее значение тока потребляемого от источника питания невелико, режим В имеет существенно больший КПД, нежели режим А. Зато для режима В характерны весьма большие искажения, обусловленные использованием большего участка характеристик усилительного элемента, включая криволенейный.

Реально чистый режим В практически не используют. Используется так называемый смешанный или промежуточный режим АВ, при котором угол отсечки немного превышает 90º, а ток покоя составляет 5-15% от максимального значения выходного тока.

Использование режима В возможно лишь в двухтактных схемах, при этом одно плечо схемы работает в течение положительного полупериода сигнала, другое - отрицательного, и форма сигнала на выходе повторяет форму сигнала на входе.

При режиме С точка покоя располагается на горизонтальной оси, левее точки пересечения проходной характеристики с горизонтальной осью (рис. 3), и ток при отсутствии сигнала, а также при слабых сигналах равен 0. В таком режиме угол отсечки меньше 90º.

Рис. 3 - Работа усилительного элемента в режиме С

В режиме С использование двухтактной схемы не дает возможности получить в выходной цепи сигнал той же формы, что и подаваемой во входную, почему такой режим не применяют для усиления гармонических сигналов произвольной формы. Тем не менее, этот режим может быть использован в однотактной схеме для усиления прямоугольных импульсов одной полярности, если пропорциональность выходных импульсов входным не является необходимой.

Отношение амплитуды первой гармоники выходного тока к его среднему значению в режиме С выше, чем в режиме В и растет с уменьшением угла отсечки. Поэтому, а также из-за отсутствия тока покоя, КПД режима С ещё выше, чем режима В. КПД в режиме С достигает 80% и более, поэтому таой режим широко используется в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является параллельный резонансный контур, настроенный на частоту подаваемого на вход синусоидального колебания или на одну из его высших гармоник.

Режимом D или ключевым режимом называют такой режим работы усилительного элемнта, при котором он во время работы находится только в двух состояниях - полностью закрытом, когда ток в его выходной цепи практически отсутствует, или в полностью открытом, когда падение напряжения между его выходными электродами близко к нулю. При таком режиме потери энергии в усилительном элементе ничтожны, т. к. в обоих состояниях выделяющаяся в нем энергия очень мала, поэтому КПД каскада можно получить очень близким к единице, т. е. близким к 100%.

Ключевой режим используется лишь для усиления прямоугольных импульсов произвольной длительности и скважности. По амплитуде усиленные импульсы получаются практически равными напряжению источника питания и не зависят от амплитуды импульсов на входе. Такой режим широко используется в цифровой технике, во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где режим D вследствие высокого КПД и малого потребления энергии находит широкое применение.

Как-то в одной книженции высказывалось о том, что режим D можно использовать для усиления гармонических сигналов произвольной формы, если этими сигналами промодулировать по ширине прямоугольные импульсы постоянной амплитуды, имеющих частоту следования в несколько раз выше наивысшей частоты усиливаемых сигналов. Промодулированные прямоугольные импульсы усиливаются каскадом, работающим в режиме D, а затем преобразовываются с малой потерей энергии, т. е. демодулируются в первоначальный гармонический сигнал. Однако модулирующие и демодулирующие устройства, применяемые при использовании режима D для усиления гармонических сигналов, сложны и требуют точной регулировки для получения высококачественного усиления. Поэтому подобные устройства на практике не прижились.