Режими роботи підсилюючих приладів. класи підсилювачів
Поняття режиму роботи або класу підсилювача визначається співвідношенням анодного струму спокою до величини струму сигналу і формою анодного струму. До сих пір у всіх прикладах розглядалися підсилювачі класу А, хоча даний факт до досі ніяк не акцентувався. Для виправлення зазначеного упущення необхідно ввести деякі визначення.
При цьому режимі величина анодного струму спокою завжди ставить перед собою таку, щоб навіть при мінімально можливому значенні вхідного сигналу (а також і при його відсутності) анодний струм не знижувався до нульового значення. Іншими словами, лампа, що працює в класі А, ніколи не замикається. Якщо на вхід (керуючу сітку) такого каскаду посилення буде подано синусоїдальну напругу, форма анодного струму також буде синусоїдальної. Режим класу А характеризується найкращою лінійністю посилення, однак по енергетичній ефективності він найгірший. Теоретичне значення максимального ККД при синусоїдальної формі вихідного сигналу в режимі класу А дорівнює 50%. Найбільш просте тому пояснення - великий струм спокою, існуючий навіть при повній відсутності вхідного сигналу. Низький ККД крім очевидного високого енергоспоживання, незручний тим, що на анодах ламп розсіюється підвищена теплова потужність, що зменшує максимально досяжну корисну потужність, що віддається ними.
В цьому режимі струм спокою дорівнює нулю, а сам анодний струм протікає тільки при дії позитивної напівхвилі вхідного сигналу. Таким чином, лампа замкнена в період дії негативної напівхвилі вхідного сигналу. Так як вхідний сигнал фактично зазнає однонапівперіодне випрямлення, в сигналі виникають суттєві викривлення у вигляді гармонік. Для вирішення даної проблеми доводиться вживати додаткових заходів (застосування двотактних схем посилення). Однак, в режимі класу В анодний струм існує при будь-якому значенні амплітуди вхідного сигналу, що чи не порушує лінійності амплітудно-амплітудної характеристики підсилювача. Теоретичне значення максимального ККД (при повному використанні лампи по напрузі і струму, що на практиці недосяжно) при синусоїдальної формі вихідного сигналу в разі двотактного підсилювача класу В становить 78,5%. Це безпосередньо пов'язано з відсутністю струму спокою.
В режимі класу С час протікання анодного струму менше часу дії позитивної напівхвилі вхідного сигналу. Даний метод використовується тільки в ВЧ підсилювачах радіопередавачів, в яких можуть використовуватися резонансні методи відновлення основної гармоніки сигналу. Це режим характеризується набагато більш високими значеннями ККД і рівнем спотворень в порівнянні з застосовуваним в підсилювачах режимом класу В.
Кут відсічення. Режим класу АВ
Для характеристики тривалості тієї частини полупериода, протягом якої протікає анодний струм, радіоінженери використовують терміни кутова тривалість імпульсу і кут відсічення. Під кутовий тривалістю імпульсу струму розуміється частина періоду (виражена в радіанах), протягом якої існує анодний струм. Під кутом відсічення (найбільш часто застосовується для кількісного опису режиму роботи підсилюючих приладів) розуміється половинне значення цієї тривалості. Використовуючи даний терміни, і враховуючи, що повний період гармонійних коливань дорівнює 360 °, можна сказати, що для підсилювачів класу А тривалість імпульсу струму дорівнює цілому періоду (струм безперервний), а кут відсічення дорівнює 180 °. Для підсилювачів класу В кут відсічення складе 90 °, а для підсилювачів класу С він становить менше 90 °.
Так як перехідна область між класом А і класом В в їх чистому вигляді досить обширна, то ввели проміжний клас підсилювачів, відомий як режим класу АВ, де анодний струм існує більш полупериода, а кут відсічення перевищує 90 °, але не досягає 180 °.
На рис. 7.4 приведена ідеалізована прохідна характеристика лампи (вважаючи проникність рівною нулю). Як видно з малюнка, режим роботи підсилювача (визначається формою анодного струму) залежить від напруги зсуву на сітці лампи. В режимі класу А зміщення вибирається на середині лінійної ділянки прохідний характеристики, завдяки чому анодний струм існує весь період дії вхідного (сіткового) напруги. В підсилювачах класу В напруга зсуву вибирається рівним напрузі відсічення прохідний характеристики лампи, що замикає її при всіх більш негативних напругах. Тому тільки під час дії позитивного напівперіоду вхідного сигналу забезпечуються умови для існування анодного струму. В режимі класу С напруга зсуву вибирається більш негативним, ніж напруга відсічення лампи. Чим більше негативний зсув вибрано, - тим менше буде кут відсічення. Для отримання режиму класу АВ, навпаки, зміщення вибирається менш негативне, ніж напруга відсічення. В цьому випадку, ніж менш негативний зсув вибрано, тим більше буде кут відсічення.
Режими класів АВ1 і АВ2
У аудіотехніки, як правило, вводять додаткову класифікацію режимів АВ, спираючись на наявність або відсутність струму керуючої сітки.
Режимом АВ1 вважається режим класу АВ, при якому струм керуючої сітки не існує. Велика частина потужних (понад 50 Вт) класичних підсилювачів є двотактні підсилювачі класу АВ 1.
Мал. 7.4 Співвідношення між формою вхідного сигналу і анодним струмом для підсилювачів класів А, В і С
Режимом АВ2 вважається режим, при якому вхідний сигнал створює позитивний щодо катода потенціал на сітці, що створює умови для протікання сіткового струму. Це збільшує ефективність роботи, так як при цьому умови залишкове анодна напруга може більшою мірою наближатися до нульового значення, що особливо важливо при роботі триодов. З початком протікання сіткового струму вхідний опір вихідного каскаду катастрофічно падає (відповідно до співвідношення 1 / gm) і в цих умовах для задає каскаду повинно виконуватися вимога мати дуже низький вихідний опір, щоб забезпечити передачу обробленого сигналу в цю виключно нелінійну навантаження без спотворень. Єдиним способом знизити вплив цього додатково виникає джерела спотворень є застосування сіткового резистора витоку з низьким значенням опору, який пропускав би більший за величиною струм сигналу в порівнянні з очікуваним сітковим струмом; таким чином, в момент, коли протікає сітковий струм, відносна зміна струму навантаження (а, отже, і викликані його наявністю нелінійні спотворення) будуть невеликими. Для деяких сучасних підсилювачів з несиметричним виходом розробниками також заявлений клас роботи А2.
Далі буде показано, що ефективність роботи підсилювача може бути підвищена тільки за рахунок поліпшення лінійності його характеристики.
Як було показано, робота однотактного каскаду в режимі класу В вносить значні спотворення за рахунок однополуперіод-ного посилення вхідного сигналу, що призводить до появи вищих гармонік. Природно, це є вельми істотним недоліком для високо-якісних підсилювачів Hi-Fi, для яких потрібна висока лінійність характеристик.
Тепер припустимо, що є дві лампи, що працюють в режимі класу В, на одну з них подається безпосередньо вхідний сигнал, а на іншу подається інвертований (тобто протифазні йому) сигнал. Під час інтервалу t1 проводить струм верхня лампа, тоді як друга замкнені. Під час інтервалу t2 ситуація змінюється на зворотну (рис. 7.5).
Таким чином, позитивні і негативні напівхвилі вхідного сигналу викликають анодний струм поперемінно в різних лампах, в результаті чого, в будь-який момент часу в будь-якої з двох ламп анодний струм буде існувати. Шляхом інвертування одного з вихідних сигналів і складанням його з іншим сигналом у вихідному трансформаторі можна відновити вихідну форму вхідного сигналу. Інвертування виконується шляхом зміни напрямку протікання струму в одній з обмоток, тобто зміною полярності підключення цієї обмотки трансформатора. На діаграмі вони позначені відповідними значками «+» і «-». На принципових схемах для позначення напрямок намотування часто початкові витки обмоток трансформатора позначаються точками.
Незалежно від того, досягається цей результат використанням трансформатора, або безпосереднім послідовним включенням ламп підсилювача, такого, наприклад, як катодний повторювач Уайта, дана схема підключення отримала загальну назву - двухтактная схема, і вона є єдиним шляхом для досягнення гарної лінійності характеристики в підсилювачах класу в, що забезпечують набагато більш високий ККД, ніж в класі А.
Не дивно, що такий поділ сигналу і потім його подальше відновлення в початковому вигляді не є цілком безболісної операцією і тому підсилювачі класу В у чистому вигляді використовуються досить рідко через перекручування, що виникають під час перехідного процесу в ланцюгах кросовера (фазоінвертора), коли посилення сигналу передається від однієї лампи до іншої. На практиці допускається протікання невеликого струму спокою лампи з метою зменшити вплив перехідного процесу, що призводить до режиму роботи в класі АВ. Теоретичне значення оптимального напруги зсуву для підсилювача класу АВ знаходять шляхом екстраполяції лінійної частини передавальної характеристики до її перетину з віссю вхідних напруг V k. Однак на практиці лампи не мають ідеальної лінійної характеристикою, і в них не спостерігається безінерційного, різкого замикання, отже, індивідуальні особливості характеристики кожної лампи призводять до того, що ідеальна точка зсуву не є відповідною реальному стану справ і спотворення, що виникають в кросовері, що не усуваються .