1.2 Анализ характеристик режимов активных элементов, используемых при построении усилителей мощности
1.2.1 Режим класса а
Режим класса А (рисунок 1) характеризуется постоянством напряжения на коллекторе (стоке) активного элемента – транзистора и тока, протекающего по коллекторной (стоковой) цепи.
Рис. 1 Режимы работы активных элементов
Данный режим работы используется для линейных усилителей с жесткими требованиями по линейности:
предварительные усилители SSB передатчиков, где требуется уровень составляющих взаимной модуляции 3-его порядка при двухтональном сигнале не более минус 40 дБ;
предварительные усилители телевизионных передатчиков, где нелинейность амплитудной характеристики должна быть очень низкой - не более десятых долей дБ;
все каскады телевизионных ретрансляторов, которые проверяются с помощью трех тональных сигналов. Уровень продуктов интермодуляции 3-его порядка должен быть менее минус 55…60 дБ. При этом первые каскады (каскады возбуждения) должны вносить очень незначительные продукты взаимной модуляции и, таким образом, должны работать в еще менее эффективном режиме класса А в сравнении с оконечным каскадом тракта усиления, т.к. это является единственно возможным способом снижения общего значения нелинейных искажений [5].
Хотя теоретический коэффициент полезного действия (КПД) усилителя класса А составляет 50%, КПД в первых двух случаях применения не превышает 25 %, а в случае телевизионных ретрансляторов ~ 15 % для выходного каскада и даже менее для каскадов возбуждения [5]. Коэффициент усилении по мощности усилителя класса А приблизительно на 3...4 дБ больше, чем коэффициент усиления того же самого усилителя, работающего в классе В. Это объясняется тем, что коллекторный ток (ток стока) усилительного каскада протекает непрерывно на протяжении всего периода усиливаемого сигнала, а в режиме класса В – только в течение полупериода. Поэтому эффективная передаточная характеристика транзистора в классе В в два раза меньше, чем при работе транзистора в классе А. Применяется в усилителях мощности звуковой частоты, и усилителях мощности радиочастоты.
1.2.2 Режим класса ав
Режим класса АВ (рисунок 1) характеризуется постоянным напряжением на коллекторе и, в отличие от режима класса А, начальным коллекторным током покоя, который увеличивается с увеличением входной мощности. Режим класса АВ используется в линейных усилителях с более низкими требованиями по искажениям:
оконечные каскады SSB передатчиков, где требуемый уровень взаимной модуляции 3-его порядка около минус 30 дБ;
оконечные каскады телевизионных передатчиков, где допустим максимальный уровень компрессии коэффициента усиления 1 дБ;
оконечные каскады базовых станций сотовой связи.
Максимальный КПД достигается при максимальной мощности и, хотя теоретическое значение его составляет 78,5 %, практически он меньше по следующим причинам:
имеются резистивные потери, как в транзисторах, так и в выходной согласующей цепи;
амплитуда коллекторного напряжения не может достигать максимального значения из-за ограничения по допустимым искажениям;
наличие начального тока (для биполярного транзистора ток коллектора составляет около 2% от его значения при максимальной мощности, для MOSFET транзисторов - около 12 % от его значения при максимальной мощности).
Для КВ и УКВ усилителей в двухтональном режиме работы среднее значение КПД составляет ~ 40 %, что соответствует значению КПД 60…65 % в пике огибающей (PEP). На высоких частотах КПД несколько ниже. Значение коэффициента усиления по мощности усилителя в классе АВ находится между значениями для усилителей, работающих в классе А и классе В. Применяется в усилителях мощности радиочастоты.