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.

Вместе со статьей "Усилитель класса A" читают: