Режим А. Розрізняють наступні основні режими роботи УЕ: А, В, С і D. При роботі УЕ в режимі А його вихідний струм існує протягом всього періоду підсилюваного сигналу, безперервно змінюючись відповідно до вхідного. Для зниження нелінійних спотворень точку спокою при роботі УЕ в режимі А (рис. 8.1) вибирають на якомого лінійнішій ділянці крізної або прохідної динамічної характеристики (як правило, в середній частині).

Гідністю режиму А є порівняно малі нелінійні спотворення сигналу, проте енергетичні показники каскаду виявляються неважливими. Дійсно, як випливає з рис. 8.1, амплітуди змінних складових вихідного струму I _твых і вихідної напруги U_твых не можуть бути відповідно більше струму I₀ і напруга U₀ в точці спокою.

Рис. 8.1

Середнє значення вихідного струму I_ср, споживаного УЕ від джерела живлення, приблизно рівно струму спокою I₀, оскільки площі негативної і позитивної напівхвиль змінної складової вихідного струму приблизно однакові. При цьому струм I_ср мало залежить від рівня сигналу, а це означає, що у відсутність підсилюваного сигналу каскад споживає від джерела живлення велику потужність, що перевищує потужність підсилюваних коливань. Коливальна потужність, що віддається P_~=0,5I_mвыхU_mвых≈0,5I₀U₀, при повному використанні УЕ. Споживана від джерела живлення потужність Р₀ = I₀Е, де Е - напруга джерела живлення. У режимі А ККД каскаду η=P_~/P₀ у граничному випадку не перевищує 0,5. Так, при трансформаторному вихідному ланцюзі в зневазі втратами в первинній обмотці трансформатора напруга U₀ = Е. Тогда Р₀ = I₀U₀ і ККД каскаду η=0,5. При безпосередньому включенні навантаження у вихідний електрод УЕ зазвичай U₀ = 0,5Е, тоді Р₀ = 2I₀U₀ і максимально можливий ККД каскаду η=0,25. Із-за вказаних властивостей режим А використовують, як правило, в каскадах попереднього посилення, а також в крайових і перед крайових каскадах з невеликою потужністю.

Режими В і АВ. При роботі УЕ в режимі В його вихідний струм проходить протягом половини періоду підсилюваного сигналу, протягом іншої половини періоду він рівний нулю. Проте режим В існує лише у випадку, що ідеалізується, коли крізну або прохідну динамічну характеристику апроксимують лінійно-ламаною лінією. Струм спокою в режимі В рівний нулю, проте в реальному каскаді він має мале кінцеве значення. На рис. 8.2, що ілюструє роботу УЕ в режимі В, безперервною лінією показаний випадок, що ідеалізується, штрихова лінія уточнює форми крізної динамічної характеристики і вихідного струму.

Рис. 8.2

При роботі УЕ з відсіченням вихідного струму зручно ввести кут відсічення Θ, рівний половині тієї частини періоду сигналу в кутових одиницях, протягом якої існує вихідний струм. Як випливає з діаграм рис. 8.2, у випадку, що ідеалізується Θ´ = 90°, в реальному каскаді Θ>90° і реалізується проміжний режим роботи УЕ між режимом В, що ідеалізується, і режимом А, Такий режим роботи УЕ називають режимом АВ.

У режимі В вихідний струм при синусоїдальному вхідному сигналі є синусоїдальними імпульсами з кутом відсічення Θ = 90°, які можна розкласти в ряд Фурье:

        (8.1)

де I_выхmax - максимальне значення вихідного струму. Перший доданок ряду (8.1) є середнє значення (постійну складову) вихідного струму

                                  .                                             (8.2)

а амплітуди першої, другої і четвертої гармонік:

.                     (8.3)

Згідно (8.2) середнє значення струму 1_ср залежить від рівня сигналу, за відсутності підсилюваного сигналу струм від джерела живлення не споживається. При тривалій роботі підсилювача в режимі В витрату енергії джерела живлення виявляється значно меншим, ніж при роботі в режимі А, в цьому одна з істотних переваг режиму В. До того ж амплітуда першої гармоніки вихідного струму в режимі В в π/2 раз більше його середнього значення, що свідчить про краще використання струму при роботі УЕ в режимі В.

Значним недоліком режиму В є високий рівень гармонійних складових. Якщо враховувати тільки другу і четвертую гармоніки вихідного струму, то . Великі нелінійні спотворення сигналу не дозволяють використовувати режим B в однотактних каскадах гармонійних підсилювачів. У імпульсних однотактних каскадах режим В застосовується тільки при посиленні однополярних імпульсів. У підсилювачах гармонійних сигналів в широкій смузі частот, а також в підсилювачах двополярних імпульсів режим В можливий тільки в двотактних схемах.

Режим С. Кут відсічення вихідного струму УЕ, що працює в режимі С, менш 90°, що забезпечується вибором точки спокою на осі абсцис лівіше за точку перетину з нею випрямленої крізної динамічної характеристики (рис. 8.3).

Рис. 8.3

Характерним для режиму С є те, що за відсутності сигналу, а також при малому його рівні вихідний струм УЕ рівний нулю. Оскільки синусоїдальні імпульси вихідного струму мають кут відсічення Θ < 90°, то при розкладанні їх в ряд Фур’е крім, постійної складової і парних гармонік виходить ряд непарних гармонік, що збільшує нелінійні спотворення сигналу в підсилювачах. Перевагою режиму C в порівнянні з режимами А і В є вища економічність, оскільки амплітуда першої гармоніки вихідного струму значно більше в порівнянні з його середнім значенням. При цьому використання вихідного струму збільшується, що дозволяє реалізувати в каскадах, що працюють в режимі C, вищий ККД. Завдяки цьому такий режим роботи УЕ використовується в могутніх підсилювачах, навантаженням яких є виборчі ланцюги, що здійснюють ефективне придушення вищих гармонік.

Режим D. Одним з недоліків підсилювачів, що працюють в режимах А, В і C, є зменшення ККД із зменшенням амплітуди підсилюваного сигналу. Тому зміна в широких межах амплітуди сигналу при посиленні призводить до зниження середнього значення ККД у декілька разів в порівнянні з його максимально можливим значенням. Цей недолік може бути усунений в підсилювачах, що працюють в режимі D коли УЕ працює в ключовому режимі, тобто знаходиться або в закритому, або у відкритому стані. При цьому втрати енергії усередині УЕ дуже малі, що дозволяє реалізувати ККД, близький одиниці.

Режим D широко використовується в пристроях для посилення прямокутних імпульсів довільної тривалості і шпаруватості, коли рівень імпульсів на виході пристрою може не залежати від їх рівня на вході. Такі підсилювачі застосовуються в електронно-обчислювальних машинах, а також в різних пристроях управління і регулювання. Якщо рівень сигналів змінюється в часі, підсилюване коливання необхідно перетворити в прямокутні імпульси з частотою, що перевищує максимальну частоту сигналу, і шпаруватістю, пропорційній амплітуді сигналу. При цьому середнє значення струму УЕ в навантаженні змінюється відповідно до амплітуди підсилюваного сигналу.

Виводи:

1. При роботі УЕ в режимі А вихідний струм існує протягом всього періоду підсилюваного сигналу, в режимі В кут відсічення вихідного струму Θ = 90°, в режимі С Θ < 90°.

2. Гідність режиму А — порівняно малі нелінійні спотворення, проте за відсутності підсилюваного сигналу каскад споживає від джерела живлення велику потужність, до того оці ККД каскаду в граничному випадку не перевищує 0,5.

3. При роботі УЕ в режимі В за відсутності підсилюваного сигналу струм від джерела сигналу практично не споживається; при посиленні сигналу витрата енергії джерела живлення значно менша, ніж при роботі в режимі А. Істотний недолік режиму В — високі не лінійні спотворення сигналу, тому режим В застосовується в двотактних підсилювачах.

ТЕМА 9 Загальна теорія зворотного зв'язку