11. Усилители мощности. Требования. Режимы работы.

Усилитель мощности предназначен для увеличения уровня радиосигнала до величины, определяемой мощностью излучаемого сигнала в системе связи.

Требования: 1) КПД (зависит от режима работы) - Этот коэффициент определяется как отношение полезной мощности сигнала к мощности, потребляемой от источника питания; 2) минимум побочных гармоник (использование фильтров).

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД — в режиме классов В или АВ.

Режим А (рабочая точка выбирается в середине линейного участка статической характеристики) — усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал.

Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже. Недостатком режима А усилителя является то, что при отсутствии входного сигнала (в режиме покоя) через транзистор протекает ток сравнительно большой силы (ток в точке А), в результате чего бесполезно расходуется мощность источника питания.

В режиме B (с отсечкой, рабочая точка выбирается в начале линейного участка статической характеристики) КПД = 60-70%. На практике углом тетта является половина угла протекания(90 градусов). При работе усилителя класса B, ток через транзистор протекает только половину периода, в результате форма тока на коллекторе транзистора искажается по сравнению с входной. Иначе говоря, усилитель, работающий в режиме класса B, изначально вызывает нелинейные искажения выходного сигнала. Однако в ряде случаев эти искажения можно убрать. В случае усиления узкополосного сигнала, такого, как радиосигнал или сигнал промежуточной частоты, восстановление формы исходного входного сигнала может осуществить полосовой фильтр.

Промежуточным, между режимами А и В является режим АВ. Точка покоя А в режиме АВ выбирается немного правее начала входной характеристики. Благодаря этому в режиме покоя через транзистор протекает небольшой ток базы I_БО и ток коллектора I_КО.  При поступлении на вход усилителя переменного напряжения коллекторный ток в транзисторе протекает более длительное; время, чем половина полупериода входного напряжения. Вследствие этого форма выходного напряжения в режиме АВ искажается меньше, чем в режиме В.

В режиме C определяется выбором рабочей точки на характеристике прямой передачи таким образом, чтобы транзистор был заперт, и для его отпирания сигнал на входе должен превысить определенный уровень. В результате на выходе усилительного элемента протекает ток ограниченной снизу синусоиды с углом отсечки меньше 90°. В данном классе усиливается только часть периода синусоиды, что приводит к значительным нелинейным искажениям. Из узкополосных радиосигналов он не подходит для усиления АМ сигналов. Тем не менее, усилители класса C оказываются очень эффективны для сигналов, в которых информация заключена в изменении фазы несущего колебания. Это такие сигналы как частотная модуляция, фазовая модуляция. В этих видах модуляции амплитуда несущей остается постоянной в течение сеанса связи, поэтому можно применить для усиления усилитель класса C. Предельный теоретический КПД усилителя в режиме C равен 78,5 %. В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов.

В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами миллиОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %, в наиболее экономичных образцах 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности. Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B.