08.04.21

[Домашняя]

Начинающему радиолюбителю бывает весьма сложно по доступной литературе и интернетовским сайтам самостоятельно разобраться в теме, которая объявлена в заглавии этой статьи. Очень часто этот материал перегружен терминами, а порой и формулами. Хотя изложить его можно и проще, что и сделано в настоящей статье. Она адресована начинающим радиолюбителям как разъяснение и дополнение к соответствующим разделам учебников и радиолюбительских пособий. От выбора режима работы в усилительных каскадах зависит их экономичность (КПД) и искажения, вносимые этими каскадами в сигнал. Причем, улучшая один из этих параметров, как правило, приходится ухудшать другой. Поэтому от правильного выбора режима работы зависит качество работы устройства (каскада). В генераторах (синусоидального и импульсного сигнала) от правильного выбора режима работы зависит баланс амплитуд, а значит, устойчивость генерации и ам­плитуда сигнала. Разработано множество различных классов работы активных (усилительных) элементов: биполярные и полевые транзисторы, а также радиолампы.

Перед рассмотрением особенностей основных классов работы хочу напомнить следующее:

1.   Усилительные свойства биполярных транзисторов обусловлены тем, что малыми изменениями тока базы удается достичь больших изменений тока коллектора.

Т.е. этот транзистор представляет собою усилитель входного тока.

2. Усилительные свойства полевых транзисторов обусловлено тем, что малыми изменениями напряжения между затвором и истоком удается достичь больших изменений тока стока.

Это важно помнить для понимания работы различных каскадов на этих активных элементах.

Итак, рассмотрим основные классы режимов работы, взяв за основу инвертирующий усилитель (например, с общим эмиттером). Входной синусоидальный сигнал усилителей показан на кривой 1 рис.1.

Режим работы класса А

Активный элемент (биполярный или полевой транзистор) в этом режиме открыт весь период сигнала (рис.1, кривая 2). Режим работы класса А используется в однотактных усилительных каскадах. Простейшая схема такого каскада рассматривалась в [1]. Иногда в режиме класса А могут работать и двухтактные усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Заметим, что такие УМЗЧ вносят минимальные искажения в усиливаемый сигнал, но также имеют и минимальный КПД из-за большого тока покоя. Режим работы класса А можно встретить в многополосных УМЗЧ (т.е. усиливающих звуковой сигнал путем разделения его на 2 или 3 полосы и в которых на каждый динамик работает свой УМЗЧ) в тракте среднечастотных и ВЧ динамиков, где важно, чтобы уровень нелинейных искажений был низким.

Режим работы класса В

В этом режиме активный элемент (биполярный или полевой транзистор) открыт только один полупериод входного сигнала (рис. 1, кривая 3). Как видим, первую по рис.1 полуволну сигнала такой каскад на одиночном транзисторе не усиливает вообще. Т.е. каскад работает с так называемой «отсечкой» входного сигнала. Поэтому в подобных усилителях используется два последовательно включенных транзистора, каждый из которых усиливает свою полуволну. Это так называемый двухтактный каскад. Ток покоя (без сигнала) усилительного каскада класса В равен нулю. Усилители класса В имеют высокий КПД, но и коэффициент нелинейных искажений у них заметно выше, чем у класса А.

Искажения в двухтактных усилительных ка­скадах класса В

Искажения выходного сигнала в двухтактных усилителях мощности в режиме класса В весьма характерны. Они имеют вид ступеньки, которая располагается на оси времени t (рис.2, кривая 2).

Из- за наличия ступеньки сигналы с малой амплитудой усилителем класса В вообще не усиливаются.

Режим работы класса АВ

Активный элемент в этом режиме открыт полностью в один полупериод и в часть другого полупериода входного сигнала (рис.1, кривая 4). Режим класса АВ - это нечто среднее между режимами класса А и В. В этом случае оба элемента двухтактного каскада работают с некоторым током покоя, который гораздо меньше тока покоя каскада класса А. Усилители класса АВ имеют более высокий КПД, чем усилители класса А, но вносят в сигнал меньше нелинейных искажений, чем усилители класса В. В массовых УМЗЧ это наиболее распространенный режим работы усилительных элементов.

Режим работы класса С

Активный элемент (биполярный или полевой транзистор) в режиме класса С открыт, только часть одного полупериода входного сигнала (рис.1, кривая 5). Этот режим характерен, скорее, для генераторов и импульсных схем. Усилители класса С также имеют высокий КПД, но с очень большими искажениями сигнала. Режим работы класса С используется, как правило, в импульсной технике, генераторах и в высокочастотных усилителях радиопередатчиков.

Режим работы класса D

В режиме работы класса D происходит преобразование входного сигнала в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна (или обратно пропорциональна) мгновенной амплитуде сигнала в каждый заданный момент времени, т.е. сигнал, подвергается так называемой ШИМ - широтно-импульсной модуляции. Активные элементы выходного каскада такого усилителя работают в ключевом режиме и имеют два состояния: элемент заперт или открыт до насыщения. Усилители класса D имеют максимальный КПД, так как основные потери энергии на выходных мощных ключах происходят толь­ко в момент переключения, при насыщении потери энергии минимальны и будут тем меньше, чем меньше сопротивление насыщенного ключа. Обычные усилители класса D имеют КПД более 90% и достаточно большой коэффициент нелинейных искажений (около 10%), но применение новых технологий (ноу-хау производителей) позволяет снизить коэффициент нелинейных искажений до долей процента. Это заметно расширило область применения режима класса D в современных УМЗЧ.

Основные принципы работы УМЗЧ класса D

Разберемся в основных принципах работы УМЗЧ класса D по упрощенной схеме, которая показана на рис.3.

Основа этого усилителя - обычный двухтактный бестрансформаторный УМЗЧ с инвертирующим входом, который в этой схеме используется как широтно-импульсный модулятор (ШИМ).

Назначение деталей схемы рис.3: С1, С2, С4 - разделительные конденсаторы; С5 - конденсатор фильтра питания; R1 - ограничивающий резистор; R2 - резистор ООС; L1СЗ - фильтр нижних частот. На инвертирующий вход усилителя кроме сигнала звука поступает пилообразный (треугольный) сигнал от генератора пилообразного напряжения. Частота работы этого генератора (для усилителя звуковых частот) лежит, обычно, в пределах 200...600 кГц, но в некоторых случаях может быть уменьшена до 100 кГц (и даже менее) или увеличена до 1,5 МГц. Размах «пилы» генератора и коэффициент усиления УМЗЧ выбраны так, чтобы выходные транзисторы УМЗЧ открывались попеременно до насыщения при переходе напряжения «пилы» через ноль. Эпюры напряжений, поясняющие работу этой схемы, показаны на рис.4.

До момента времени t₁ (см. верхний график рис.4) звуковой сигнал на входе отсутствует. «Пила» абсолютно симметрична, и на выходе (точка В рис.3) образуются симметричные прямоугольные импульсы со скважностью равной 2, так называемый «меандр» (график U_B на рис.4). При подаче на вход усилителя сигнала НЧ, «пила» будет смещаться вверх или вниз. Изменятся моменты отпирания выходных транзисторов УМЗЧ, и, как следствие, будут меняться длительность выходных импульсов и пауза между ними. Причем эти параметры будут изменяться по закону входного низкочастотного сигнала звука. Полученный импульсный сигнал с переменной скважностью называют, как мы говорили выше, широтно-импульсным сигналом, или ШИМ-сигналом (график U_B на рис.4), а процесс его получения - широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-сигнал содержит большую по амплитуде НЧ (звуковую) составляющую, по форме повторяющую модулирующий сигнал. Далее ШИМ-сигнал поступает на ФНЧ (L1C3), который пропустит НЧ составляющую на громкоговоритель и подавит ВЧ составляющие ШИМ- сигнала. За счет процесса заряда-разряда конденсатора ФНЧ переменное напряжение на громкоговорителе будет зубчатым, что можно увидеть на увеличенном фрагменте графика U_Bыx на рис.4. Эта «зубчатость» уменьшается с увеличением частоты генератора ШИМ, а также при увеличении постоянной времени ФНЧ. Усилители класса D на биполярных транзисторах ушли в прошлое. Основой современного УМЗЧ класса D, являются мощные ключи на полевых транзисторах, отличающихся быстродействием и низким сопротивлением канала в открытом состоянии. При использовании таких транзисторов в ключевом режиме (либо открыт, либо заперт) достигается высокий КПД усилителя.

Радиоаматор №6 2012г стр. 2