Транзисторы

Сделав ряд допущений — предположив, что прямолинейный участок входной характеристики начинается прямо от «нуля», что на выходной характеристике тоже нет загибов, что в качестве коллекторной нагрузки включен элемент (например, трансформатор), на котором не теряется постоянное напряжение, — мы придем к выводу, что в лучшем случае только половина потребляемой от батареи мощности переходит в усиленный сигнал. Об этом можно сказать иначе: к. п. д. (коэффициент полезного действия) транзисторного усилителя не превышает 50 %. За каждый ватт мощности выходного сигнала приходится платить двойную цену — два ватта мощности коллекторной батареи (рис. 105).

Рис. 105.Чем выше коэффициент полезного действия усилителя, тем меньшую мощность он потребляет для создания заданной выходной мощности.

Доказать справедливость этого вывода довольно просто. Чтобы подсчитать мощность, потребляемую от батареи, нужно умножить ее постоянное напряжение Е_к на потребляемый ток, то есть на коллекторный ток покоя I_к-п (рис. 106).

Рис. 106.Выходная мощность однотактного усилителя, работающего в классе А, ограничена искажениями, а его к. п. д. не превышает 50 процентов.

С другой стороны, амплитуда переменной составляющей коллекторного тока никак не может быть больше тока покоя, иначе транзистор будет работать с отсечкой. В лучшем случае амплитуда переменной составляющей равна току I_к-п и при этом эффективное значение переменной составляющей коллекторного тока равно I_к~ ~= 0,7·I_к-п.

Точно так же и амплитуда переменного напряжения на нагрузке не может быть больше напряжения батареи, иначе в какие-то моменты на коллекторе будет появляться не «минус», а «плюс». А это в лучшем случае приведет к сильнейшим искажениям. Таким образом, эффективное значение выходного напряжения U_н~ не может превышать 0,7·Е_к. Теперь остается только перемножить 0,7·I_к-п на 0,7·Е_к и получить, что наибольшая эффективная мощность, которую может отдать усилитель, не превышает 0,5·I_к-п·Е_к, то есть не превышает половины потребляемой мощности.

Решение это окончательное, однако оно подлежит обжалованию. Есть возможность ценой определенных жертв повысить коэффициент полезного действия усилителя, перейти рубеж пятидесяти процентов к. п. д.

Чтобы повысить коэффициент полезного действия, нужно, чтобы усилитель создавал более мощный сигнал при той же потребляемой мощности. А для этого нужно, не увеличивая тока покоя I_к-п и постоянного напряжения Е_к, повысить переменные составляющие коллекторного тока I_к~ и напряжения на нагрузке U_н~.

Что же мешает нам повысить эти две составляющие? Искажения. Мы можем увеличить и ток I_к~ (для этого достаточно, например, повысить уровень входного сигнала), и напряжение U_н~ (для этого достаточно опять-таки увеличить входной сигнал или увеличить сопротивление нагрузки для переменного тока). Но и в том и в другом случае исказится форма сигнала, окажутся срезанными его отрицательные амплитуды.

И хотя такая жертва кажется недопустимой (кому нужен экономичный усилитель, если он выдает бракованную продукцию?), мы все же пойдем на нее. Во-первых, потому, что возникшие искажения удастся ликвидировать. И, во-вторых, потому, что, допустив искажения (а потом избавившись от них), мы сумеем перевести усилитель в более экономичный режим и поднять его коэффициент полезного действия.

Усиление без искажений, когда амплитуда переменной составляющей коллекторного тока не превышает тока покоя I_к-п, называется классом усиления А. Одиночный усилитель, работающий в классе А, называется однотактным усилителем.

Если при усилении часть сигнала «срезается», если амплитуда переменной составляющей коллекторного тока больше, чем I_к-п, и в коллекторной цепи происходит отсечка тока; то мы получаем один из классов усиления АБ, Б или С. При усилении в классе Б отсечка равна полупериоду, то есть в половине периода в коллекторной цепи есть ток, а в другой половине периода тока нет. Если ток есть больше, чем в половине периода, то мы имеем класс усиления АБ, если меньше — класс С. (Чаще классы усиления обозначают латинскими буквами А, В, С.)

Представьте себе, что у нас есть не один, а два работающих в классе Б одинаковых усилителя: один воспроизводит положительные полупериоды сигнала, другой — отрицательные. Теперь представьте себе, что оба усилителя работают на общую нагрузку. В этом случае мы получим в нагрузке нормальный переменный ток, получим неискаженный сигнал, как бы сшитый из двух половинок (рис. 107).

Рис. 107.Двухтактный каскад — это, по сути дела; два однотактных каскада, работающих на общую нагрузку.