Действующее значение напряжения

Для того чтобы было более понятно рассмотрение важнейшего вопроса о КПД для различных классов, приведем сначала точное определение действующего значения напряжения переменного тока U _д (именно действующее значение определяет мощность на нагрузке и выходных транзисторах, а следовательно, и КПД):

(1)

Здесь U_a – амплитудное значение напряжения u(t), T – период (в данном случае мы рассматриваем полпериода от 0 до π ). Для синусоидального напряжения u(t) = sin(t) :

(2)

При выводе учитывается, что:

Соотношение (2) для действующего значения (без вывода) уже приводилось в главе 4 .

Классы усилителей

Класс А (рис. П3.1) – это фактически режим, соответствующий усилительному каскаду с общим эмиттером (см. рис. 6.6).

Рис. П3.1 . Режим работы усилителя класса А

В классе А на коллекторе транзистора устанавливается ровно половина питания. Если считать переходную характеристику каскада строго линейной (сплошная линия на рис. П3.1), то амплитуда выходного сигнала может достигать напряжения питания. Для оценки КПД в этом идеализированном случае обратим внимание, что незатемненная область на графике выходного напряжения соответствует мгновенным (в каждый момент времени) значениям напряжения на нагрузке, а затемненная – напряжениям на выходном транзисторе. Как мы видим из графика, эти области строго равны друг другу по площади, поэтому соответствующие интегралы (1) и действующие значения напряжения на нагрузке и на транзисторе будут равны, так что КПД будет равен ровно 50 % – половина затрачиваемой мощности выделяется на нагрузке, половина – на транзисторе. В реальности же переходная характеристика имеет S‑образный вид (пунктир на рис. П3.1), поэтому во избежание искажений приходится ограничивать амплитуду сигнала, так что в действительности КПД может быть значительно меньше, да и реальный сигнал никогда не достигает максимальных амплитудных значений.

Другим крупнейшим недостатком класса А является то, что в отсутствие входного сигнала через транзистор течет большой ток (причем легко показать, что именно в отсутствие сигнала мощность, выделяющаяся на транзисторе, будет максимальной, и в этом случае КПД фактически равен нулю). Вместе с тем, режим класса А позволяет без лишних проблем получить неискаженный сигнал, усиленный как по току, так и по напряжению, и потому широко используется в маломощных каскадах, где КПД не имеет существенного значения. Например, в этом режиме работает «раскачивающий» каскад на транзисторе VT3 в УМЗЧ из главы 8 .

Режим усилителя класса В фактически используется только в двухтактных схемах эмиттерных повторителей, подобных показанной на рис. 8.2. На рис. П3.2 изображены соответствующие графики для одной (положительной) половины такого каскада (для второй половины все – в случае идеального согласования характеристик выходных транзисторов – строго симметрично).

Рис. П3.2. Режим работы усилителя класса В

Как мы видим, выходное напряжение представляет собой половину синусоиды, и в отсутствие входного сигнала ток через транзистор(ы) равен нулю. Примем, как и ранее для класса А, что переходная характеристика строго линейна, и попробуем оценить теоретический КПД.

Действующее значение напряжения на нагрузке равно, как следует из формулы (2),

U _н = U_a /√2 (в общем случае U _а =/ U_пит ), отсюда мощность в нагрузке будет равна:

где R – сопротивление нагрузки.

Мгновенное значение напряжения на транзисторе можно определить как «остаток» от того, что выделяется на нагрузке (затемненная область на рис. П3.2), т. е. u_т = U_пит – u_н(t) . (Маленькими буквами мы здесь обозначаем мгновенные значения.)

Ток через транзистор тот же самый, что и через нагрузку, и его величина будет равна i_н = u_н(t) /R . Тогда мгновенная мощность на транзисторе выразится формулой:

Средняя же мощность в одном плече определится следующей формулой (обратите внимание, что хотя мы считаем для одного плеча, осреднение происходит по полному значению периода 2π , просто в течение второго полупериода плечо не работает):

Для синусоидального напряжения подставим

а также выражение для

(см. ранее), и получим:

Суммарная мощность, потребляемая от источника, будет равна сумме мощностей на обоих транзисторах и нагрузке, а КПД выразится формулой (величина сопротивления нагрузки R в числителе и знаменателе сокращается):

Учтем, что в данном случае U_пит = U_а, и окончательно получим, что теоретический КПД для усилителя класса В составляет π /4 = 0,785 = 78,5 %. Практически же КПД будет существенно меньше по целому ряду причин. Первая причина – мы производили расчет для максимального значения сигнала, а в реальности, как и для класса А, сигналы достигают этой величины только изредка. На рис. ПЗ.З приведены графики распределения мощностей и изменения КПД в зависимости от амплитуды сигнала.

Рис. ПЗ.З. Распределение мощностей и величина КПД в зависимости от относительной амплитуды выходного сигнала в усилителях класса В :

_{1 – мощность на каждом из транзисторов;2 – мощность в нагрузке; 3 – суммарная мощность, потребляемая от источника; 4 – КПД}

Интересно, что в отсутствие сигнала КПД, как и для класса А, равен нулю, но есть одно существенное различие – сама мощность, потребляемая от источника питания, при этом также равна нулю.

Кроме этого, есть и другие причины снижения КПД. Прежде всего, переходная характеристика, как и для класса А, не является прямой линией – практически это выражается, в частности, и в том, что напряжение на выходе будет ограничиваться величинами, меньшими, чем напряжение питания. Напряжение на выходе будет всегда ниже входного по крайней мере на величину падения база‑эмиттер. Все это само по себе уменьшит незатемненную область на графике и увеличит затемненную.

Главное же, что в чистом виде класс В для усиления аналоговых сигналов не используют – из‑за больших искажений типа «ступенька» (см. главу 8 ). Поэтому практически классы В и А объединяют, создавая некоторый начальный ток смещения комплементарной пары, – такой режим усилителя известен, как класс АВ, и большинство аналоговых схем построено по этому принципу (в главе 8 мы обеспечивали режим АВ с помощью цепочки диодов).

Все это касается случая, когда выходной каскад составлен из биполярных транзисторов. Применение комплементарных полевых транзисторов может существенно снизить искажения, однако там появится новая напасть – в момент равенства сигнала нулю оба транзистора пары будут приоткрыты (эффект «сквозного тока» – явление, аналогичное происходящему при переключении в КМОП‑микросхемах), и это равносильно принудительному смещению биполярных транзисторов. В результате КПД «хороших» усилителей класса АВ составляет от силы 60 %, а часто еще меньше (именно поэтому в главе 8 при расчете радиаторов я задавался величиной мощности на выходных транзисторах, равной мощности в нагрузке).