Усилитель класса A

Наиболее распространенным классом работы усилителя является класс А. В усилителе класса A положение рабочей точки активного элемента, такого как транзистор, электронная лампа или операционный усилитель, выбирается в середине линейного участка передаточной характеристики. Для упрощения анализа передаточная характеристика усилительного прибора (обычно транзистора) представляется кусочно ломаной функцией.

Пример выбора рабочей точки транзистора, работающего в усилителе класса A, показан на рисунке 1. На этом же рисунке показана кусочно-ломанная аппроксимация передаточной характеристики транзистора.

Рисунок 1. Выбор рабочей точки на передаточной характеристике транзистора в усилителе класса А

Изгиб передаточной характеристики в верхней части вызван приближением к напряжению источника питания. Изгиб в нижней части характеристики вызывается насыщением транзистора. Рабочую точку в усилителе класса A выбирают обычно в районе половины питания транзистора. Исключение может составлять сильно нелинейная характеристика транзистора.

Режим работы транзистора в усилителе обычно задается при помощи специальных цепей смещения. Наиболее известны следующие схемы питания транзистора:

схема с фиксированным током базы,
схема с фиксированным напряжением на базе,
схема коллекторной стабилизации,
схема эмиттерной стабилизации,
дифференциальный каскад.

При этом не важно какая схема включения транзистора использована в каскаде усиления:

схема с общим эмиттером (схема с общим истоком),
схема с общей базой (схема с общим затвором) или
схема с общим коллектором (схема с общим стоком).

Отличительной особенностью усилителя класса A является выбор напряжения на коллекторе транзистора (или на стоке полевого транзистора) равным половине напряжения питания транзисторного каскада усилителя. В качестве примера схемы, обеспечивающей работу транзистора в усилителе класса A, на рисунке 2 приведена схема усилительного каскада с ОЭ и эмиттерной стабилизацией.

Рисунок 2. Схема, обеспечивающая работу транзистора в усилителе класса A

Подробное объяснение принципов работы данной схемы усилительного каскада и расчета ее элементов рассмотрено в статье "Эмиттерная стабилизация". В усилителях радиочастоты вместо сопротивления нагрузки R3 обычно применяют высокочастотный дроссель, как на принципиальной схеме усилителя, приведенной на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема высокочастотного усилителя класса A

Выбор полевого транзистора обусловлен более низким значением шумов полевых транзисторов на высоких частотах. При этом напряжение на затвор формируется резистивным делителем R1R2, как и в предыдущей схеме. Подобное решение применяется в таких микросхемах как RF2360 фирмы RF Micro Devices, ADL5521 фирмы Analog Devices и др. На биполярных транзисторах так выполнена микросхема GALI-74 фирмы Mini-Circuits.

В составе современных интегральных микросхем для уменьшения напряжения питания и снижения чувствительности к синфазным помехам часто применяется схема дифференциального усилителя. Схема дифференциального усилителя класса A, приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема дифференциального каскада усилителя класса A

Подобное решение применяется в таких микросхемах как AD8351 фирмы Analog Devices.

Усилители класса A характеризуются высокой линейностью усиления, причем чем меньше будет уровень сигнала на выходе усилителя, тем выше его линейность. Именно этим обстоятельством объясняется сохраняющийся до настоящего времени интерес к ламповым усилителям звуковой частоты (И чем не устраивают современные высоковольтные мощные полевые транзисторы?).

Как мы уже обсуждали в статье "нелинейные искажения узлов РЭА" нелинейность для усилителей звуковой частоты и для высокочастотных усилителей, в том числе и усилителей промежуточной частоты, существенно отличается. Тем не менее, и для тех и для других важно, чтобы ограничение полезного сигнала наступало при большем его уровне. Это зависит от напряжения питания усилителя и от того насколько точно рабочая точка транзистора будет располагаться на середине линейного участка передаточной характеристики.

При усилении достаточно мощных сигналов, как звукового, так и радиочастотного частотного диапазона очень важен такой параметр, как коэффициент полезного действия. Этот коэффициент определяется как отношение полезной мощности сигнала к мощности, потребляемой от источника питания. Определим максимальную мощность, отдаваемую в нагрузку.

(1),

При этом мощность, потребляемая от источника питания составляет:

(2),

По рисунку 1 видно, что максимальное значение амплитуды синусоидального тока I_a может быть равно току, потребляемому от источника питания I_п, а максимальное значение амплитуды напряжения — половине напряжения питания (для схемы, приведенной на рисунке 2). Тогда максимальный к.п.д. для усилителя класса A будет равен:

(3),

То есть максимальный к.п.д. составляет 25%. В схеме дифференциального каскада, приведенной на рисунке 4, или в схеме, приведенной на рисунке 3 можно получить максимальную амплитуду сигнала (между выходом− и выходом+) равную напряжению питания, следовательно к.п.д. будет равен 50%, а на практике удается получить 20...30%. Поэтому усилители, работающие в классе A обычно применяется в маломощных каскадах усиления.

Исключение составляет высококачественная звукоусилительная техника. В этом случае речь ни о какой экономичности не идет! Все слышали о "ламповом звуке" или "транзисторном звучании". При этом при сравнении качества звучания все почему-то забывают, что выходной каскад ламповых усилителей звуковой частоты всегда работает в классе A, а выходные каскады транзисторных усилителей в классе B. При реализации современных транзисторных усилителей с выходными каскадами класса A отличить звучание транзисторного усилителя от лампового невозможно.

Литература:

Steve C. Cripps RF Power Amplifiers for Wireless Communications — ARTECH HOUSE, INC., 2006
Marian K. Kazimierczuk RF Power Amplifiers — John Wiley & Sons, Ltd 2008

Радиотехника Классы усилителей Реальная физика ТОЭ ТЭЦ Работы с генератором Тесла

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира