Режимы работы транзисторов в оконечных каскадах

Рассмотрим возможные режимы работы транзистора при усилении симметричных сигналов. К симметричным сигналам относятся такие, для которых равновероятны одинаковые отклонения напряжения или тока сигнала в обе стороны от его исходного значения. К таким сигналам, помимо гармонических колебаний, относятся сигналы звуковых передач, телевизионных изображений и различных импульсных устройств с двухсторонними импульсами.

5.1.1. Режим класса А

Наиболее естественным режимом для усиления симметричных сигналов является режим класса А, сущность которого состоит в том, что исходная рабочая точка (РТ) выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики. Целесообразность такого выбора исходной рабочей точки при симметричных сигналах очевидна, т.к. при этом ограничения линейного участка характеристики по максимуму и по минимуму наступают одновременно при наибольшей амплитуде напряжения сигнала.

В транзисторном каскаде ограничением по минимуму является допустимое наибольшее значение выходного тока при максимальной температуре или наименьшее значение напряжения, соответствующее переходу к области насыщения. Ограничением по минимуму является начало искривления (загиба) сквозной динамической характеристики в области малых токов. Работу транзистора в режиме класса А для схемы ОЭ поясняет рис. 5.1.

Здесь исходная смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_БЭ0 выбрана таким образом, что исходный коллекторный ток I_К0 находится на середине используемого линейного участка характеристики . При синусоидальном изменении ЭДС источника сигналов с амплитудой Е_БЭm коллекторный ток изменяется также синусоидально с амплитудой I_Кm.

Вводится понятие угол отсечки Q, определяемый как половина длительности прохождения тока в выходной цепи за 1 период гармонического сигнала (рис. 5.1). В классе А Q_А = π.

Режим класса А является наиболее универсальным режимом работы. Он применяется при симметричных сигналах в каскадах предварительного усиления, а также в предоконечных и оконечных каскадах при небольших мощностях усилителя (обычно до 0,5…1 Вт).

Основным преимуществом режима класса А является малая величина нелинейных искажений, обеспечиваемая наиболее простым способом, а именно использованием только линейного участка характеристики. Недостатком режима класса А является малая величина КПД каскада, объясняемая большой постоянной составляющей выходного тока, которая даже при отсутствии сигнала на входе (в паузе) равна I_К0, что обусловливает значительную величину мощности, рассеиваемой в транзисторе (P_К). КПД каскада в общем виде (для любого режима работы) определяется как

, (5.1)

где P_Н – полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

P₀ – мощность, потребляемая от источника питания.

Мощность P_К , рассеиваемая в транзисторе

P_К = P₀ – P_Н. (5.2)

Из выражения (5.2) ясно, что наибольшая мощность выделяется на транзисторе, когда P_Н = 0, т.е. при отсутствии сигнала на входе, т.к.

P₀ = E_К I_КСР , (5.3)

но в режиме класса А, как это видно из рис. 5.1, I_{К СР} = I_К0, а I_К0 , как указывалось ранее, имеет значительную величину.

Введём нормированную переменную ξ - коэффициент использования напряжения питания:

ξ = U_Кm / E_К . (5.4)

P_Н = 0,5 ּU_Кm I_Кm = 0,5 ξ ּ E_К I_Кm = .

На рис. 5.2 показана зависимость мощностей от ξ : потребляемая мощность P₀ не зависит от ξ ; полезная мощность P_Н растёт квадратично и при ξ = 1 P_Нm = P₀ /2; мощность потерь P_К максимальна при ξ = 0.

. (5.5)

5.1.2. Режим класса В

Для повышения КПД оконечного усилительного каскада применяется режимкласса В, при котором исходная рт выбирается в начале сквозной динамической характеристики, т.е. в точке i_К = I_КН, а смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_БЭ0 » 0 (рис. 5.3).

Если пренебречь ничтожно малым током I_КН, можно считать, что коллекторный ток проходит через транзистор только в течение одного полупериода, и поэтому угол отсечки в режиме q_В = p/2 (рис. 5.3). Поэтому

неискаженное воспроизведение симметричного сигнала при апериодическом характере нагрузки возможно только при использовании двухтактной схемы оконечного каскада.

В режиме класса В КПД увеличивается, во-первых, за счет лучшего, по сравнению с режимом класса А, использования транзистора по току (I_{К mВ} > I_КmA), благодаря чему полезная мощность

(5.6)

оказывается больше, чем P_Н в режиме класса А, а во-вторых, в паузе, т.е. при отсутствии сигнала на входе, от источника питания мощность практически вообще не потребляется в соответствии с (5.6), т.к. I_К0 = 0, а средний ток в режиме класса В можно считать приблизительно равным I_Кmax/p. Мощность, потребляемая от источника питания P₀ при наличии сигнала на входе, определяется средним током и оказывается примерно равной E_КI_{К СР} .

Таким образом, по энергетическим показателям режим класса В имеет несомненные преимущества по сравнению с режимом класса А. Недостатком режима класса В является большее искажение сигнала. Кроме того, режиму класса В присущи специфические искажения типа центральной отсечки, обусловленные тем, что транзисторы в плечах двухтактного оконечного каскада имеют явную нелинейность сквозной динамической характеристики в области малых коллекторных токов. Сказанное поясняется графиком на рис. 5.4.

Разложим пульсирующий ток (рис. 5.5) одного плеча (в идеализированных условиях, без учёта центральной отсечки) в ряд Фурье:

;

.

Мощность, потребляемая одним плечом:

(5.7)

Мощность, выделяемая на нагрузке:

(5.8)

такая же, как и в классе А.

Мощность потерь:

(5.9)

достигает максимума при ξ = 2/π = 0,637.

На рис. 5.6 показана зависимость мощностей от ξ : потребляемая мощность P₀ линейно зависит от ξ ; полезная мощность P_Н растёт квадратично и при ξ = 1 P_Нm = 0,785P₀ ; мощность потерь P_К максимальна при ξ = 0,637.

5.1.3. Режим класса АВ

Для того, чтобы сохранить энергетические преимущества режима класса В и избежать искажений типа «центральной отсечки», используют режим класса АВ, при котором увеличивают ЭДС смещения EБЭ0 и рабочую точку (рт) выводят на некий начальный участок сквозной характеристики, пропустив через транзистор в исходном режиме небольшой ток покоя E_К0. В этом случае выходной ток проходит через транзистор в течение более чем половины периода, т.е. угол отсечки p/2 < q_АВ << p (рис. 5.7).

КПД в режиме класса АВ несколько меньше, чем в режиме класса В, в силу того, что при отсутствии сигнала на входе (в паузе) от источника питания потребляется мощность P₀ = I_К0 Е_К. Мощность, потребляемая от источника питания при наличии сигнала на входе, так же, как и в режиме класса В, определяется средним током, (формула (5.3)).

Таким образом, режим класса АВ сочетает в себе высокую энергетическую эффективность класса В и малую величину нелинейных искажений класса А.

5.1.4. Режим класса С

В режиме класса С ртвыбирается левее нуля на оси e_БЭ , угол отсечки 0 < q_С < p/2 (рис. 5.8).

В режиме класса С при q_С → 0 η → 100% , но К_Г очень велик. Поэтому этот режим в аудио- и видеотехнике не используется, а применяется только в мощных усилителях радиопередатчиков, где основное требование – высокий η. Резонансные контуры позволяют выделить только одну первую гармонику радиосигнала и свести до нуля К_Г.

5.2. Схемы двухтактных каскадов класса В

5.2.1. Схема на транзисторах одного типа проводимости

Схема двухтактного каскада класса В с симметричным питанием на транзисторах одного типа проводимости приведена на рис. 5.9. Преимущество этой схемы – возможность выбрать идентичные транзисторы. Схема имеет следующие недостатки:

· Сложная входная цепь: сигналы е_Г1 и е_Г2 должны быть равными по амплитуде, но противофазными;

· Необходимы два источника питания Е_П1 , Е_П2 .

5.2.2. Схема на комплиментарных транзисторах с симметричным питанием

В схеме (рис. 5.10) устранён первый недостаток предыдущей схемы. Но появился новый недостаток – требуется комплиментарная пара мощных транзисторов с идентичными параметрами.

5.2.3. Схема на комплиментарных транзисторах с разделительным конденсатором

В схеме (рис. 5.11) устранён другой недостаток – наличие двух источников питания.

Подключение R_Н через конденсатор С позволяет применить только один источник питания Е_П. Но появляется новый недостаток – наличие конденсатора большой ёмкости. Сопротивление конденсатора С во всём диапазоне частот усилителя, прежде всего – на нижних частотах F_Н, должно быть значительно (например, в 10 раз) меньше сопротивления R_Н.

Пример. R_Н = 7 Ом, F_Н = 20 Гц, тогда

.

Конденсатор С не должен быть электролитическим, поэтому реализовать эту схему с конденсатором столь большой ёмкости весьма трудно.

5.2.4. Схема Лина

В двухтактном усилителе класса В, выполненном по схеме Лина, используются составные транзисторы: в верхнем плече транзисторы VT1-1, VT1-2 соединены по схеме Дарлингтона, в нижнем плече транзисторы VT2-1, VT2-2 соединены по комплиментарной схеме Дарлингтона (рис. 5.12). Параметры составных транзисторов определяются однотипными мощными транзисторами VT1-2, VT2 2, а вид составных транзисторов (pnp или npn) определяется маломощными транзисторами VT1-1, VT2 1.

Несмотря на недостаток – два источника питания – именно схема Лина наиболее часто применяется в усилителях класса В и АВ.

5.3. Двухтактные каскады класса АВ

Класс АВ – промежуточный между классами А и В, обычно в классе АВ рабочая точка выбирается ближе к классу В (говорят, «глубокий АВ»). Переходные искажения классов А, АВ иллюстрирует рис. 5.13. Как видно из рис. 5.13,б, в классе АВ практически отсутствуют искажения вида «центральная отсечка», характерные для класса В (рис. 5.13,а).

Рабочая точка выходных транзисторов для класса АВ устанавливается смещением с помощью диодов D₁, D₂ (рис. 5.14,б).

а)	б)
Рис. 5.14. Схемы двухтактных каскадов: а - класс В; б - класс АВ

5.4. Сравнение режимов классов А, В и АВ

Сравнительные характеристики режимов классов А, В и АВ приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Параметры	Класс А	Класс В	Класс АВ
Потребляемая мощность, P0	Сигнал большой	Большая (–)	Малая (+)	Малая (+)
Сигнал малый	Большая (– –)	Малая (+ +)	Малая (+ +)
КПД, η	Сигнал большой	Малый (–)	Большой (+)	Большой (+)
Сигнал малый	Оч. малый (– –)	Оч. больш. (+ +)	Оч. больш. (+ +)
Коэффициент гармоник, КГ	Сигнал большой	Малый (+)	Малый (+)	Малый (+)
Сигнал малый	Оч. малый (+ +)	Большой (–)	Малый (+)
Схемная простота	(+)	(–)	(–)