Другим крупнейшим недостатком класса А является то, что в отсутствие входного сигнала через транзистор течет большой ток (причем легко показать, что именно в отсутствие сигнала мощность, выделяющаяся на транзисторе, будет максимальной, и в этом случае КПД фактически равен нулю). Вместе с тем, режим класса А позволяет без лишних проблем получить неискаженный сигнал, усиленный как по току, так и по напряжению, и потому широко используется в маломощных каскадах, где КПД не имеет существенного значения. Например, в этом режиме работает «раскачивающий» каскад на транзисторе VT3 в УМЗЧ из главы 8.
Режим усилителя класса В фактически используется только в двухтактных схемах эмиттерных повторителей, подобных показанной на рис. 8.2. На рис. П3.2 изображены соответствующие графики для одной (положительной) половины такого каскада (для второй половины все — в случае идеального согласования характеристик выходных транзисторов — строго симметрично).
Рис. П3.2. Режим работы усилителя класса В
Как мы видим, выходное напряжение представляет собой половину синусоиды, и в отсутствие входного сигнала ток через транзистор(ы) равен нулю. Примем, как и ранее для класса А, что переходная характеристика строго линейна, и попробуем оценить теоретический КПД.
Действующее значение напряжения на нагрузке равно, как следует из формулы (2),
Uн = Ua/√2 (в общем случае Uа =/ Uпит), отсюда мощность в нагрузке будет равна:
где R — сопротивление нагрузки.
Мгновенное значение напряжения на транзисторе можно определить как «остаток» от того, что выделяется на нагрузке (затемненная область на рис. П3.2), т. е. uт = Uпит — uн(t). (Маленькими буквами мы здесь обозначаем мгновенные значения.)
Ток через транзистор тот же самый, что и через нагрузку, и его величина будет равна iн = uн(t)/R. Тогда мгновенная мощность на транзисторе выразится формулой:
Средняя же мощность в одном плече определится следующей формулой (обратите внимание, что хотя мы считаем для одного плеча, осреднение происходит по полному значению периода 2π, просто в течение второго полупериода плечо не работает):
Для синусоидального напряжения подставим а также выражение для (см. ранее), и получим:
Суммарная мощность, потребляемая от источника, будет равна сумме мощностей на обоих транзисторах и нагрузке, а КПД выразится формулой (величина сопротивления нагрузки R в числителе и знаменателе сокращается):
Учтем, что в данном случае Uпит = Uа, и окончательно получим, что теоретический КПД для усилителя класса В составляет π/4 = 0,785 = 78,5 %. Практически же КПД будет существенно меньше по целому ряду причин. Первая причина — мы производили расчет для максимального значения сигнала, а в реальности, как и для класса А, сигналы достигают этой величины только изредка. На рис. ПЗ.З приведены графики распределения мощностей и изменения КПД в зависимости от амплитуды сигнала.
Рис. ПЗ.З. Распределение мощностей и величина КПД в зависимости от относительной амплитуды выходного сигнала в усилителях класса В:
1 — мощность на каждом из транзисторов; 2 — мощность в нагрузке; 3 — суммарная мощность, потребляемая от источника; 4 — КПД
Интересно, что в отсутствие сигнала КПД, как и для класса А, равен нулю, но есть одно существенное различие — сама мощность, потребляемая от источника питания, при этом также равна нулю.
Кроме этого, есть и другие причины снижения КПД. Прежде всего, переходная характеристика, как и для класса А, не является прямой линией — практически это выражается, в частности, и в том, что напряжение на выходе будет ограничиваться величинами, меньшими, чем напряжение питания. Напряжение на выходе будет всегда ниже входного по крайней мере на величину падения база-эмиттер. Все это само по себе уменьшит незатемненную область на графике и увеличит затемненную.
Главное же, что в чистом виде класс В для усиления аналоговых сигналов не используют — из-за больших искажений типа «ступенька» (см. главу 8). Поэтому практически классы В и А объединяют, создавая некоторый начальный ток смещения комплементарной пары, — такой режим усилителя известен, как класс АВ, и большинство аналоговых схем построено по этому принципу (в главе 8 мы обеспечивали режим АВ с помощью цепочки диодов).
Все это касается случая, когда выходной каскад составлен из биполярных транзисторов. Применение комплементарных полевых транзисторов может существенно снизить искажения, однако там появится новая напасть — в момент равенства сигнала нулю оба транзистора пары будут приоткрыты (эффект «сквозного тока» — явление, аналогичное происходящему при переключении в КМОП-микросхемах), и это равносильно принудительному смещению биполярных транзисторов. В результате КПД «хороших» усилителей класса АВ составляет от силы 60 %, а часто еще меньше (именно поэтому в главе 8 при расчете радиаторов я задавался величиной мощности на выходных транзисторах, равной мощности в нагрузке).
Соответствие наименований...
... и функциональности некоторых зарубежных и отечественных цифровых микросхем
В табл. П4.1 приведены основные микросхемы «классической» КМОП-серии, их отечественные аналоги, полные или функциональные аналоги из серии 74, включающей в себя как быстродействующие КМОП-микросхемы (с буквой С в наименовании), так и ТТЛ, а также отечественные функциональные ТТЛ-аналоги из серий 155 (133), 555, 533, 1555, 1533 и др. Следует отметить, что всего в серии 74 представлено около полутора десятков различных технологий, но одинаковые по функциональности микросхемы в различных сериях называются одинаково. Не все микросхемы имеются во всех исполнениях — так, полные аналоги 4049/4050 имеются только в серии НС, в то же время дешифратор 74хх247(ИД18) существует только в ТТЛ-исполнении. CD4056 (561ИД5) не является его полным аналогом, т. к. имеет дополнительные выводы для управления ЖКИ или люминесцентного индикатора переменным напряжением и т. д.
* В быстродействующей КМОП-версии не существует. Рекомендуется заменять на 514ИД1/2 (MSD047/MSD101).
** Для аналоговых сигналов предпочтительнее использовать 590КН2/КН5/КН13.
Кроме приведенных в таблице, и 4000-я серия, и, тем более, разновидности 74-й включают в себя еще очень много типов микросхем, здесь приведены только те, которые имеют аналоги в отечественной «классической» 561-й серии (за исключением ряда микросхем, выполняющих арифметические функции, ввиду потери ими актуальности). Часто приводимая в справочниках серия 54 есть та же 74-я, но в военном исполнении, с повышенным температурным диапазоном. О соответствии отечественных и импортных КМОП-серий говорилось в главе 15.
Прочерк в таблице для микросхем ТТЛ и 74-й серии означает, что для данной микросхемы «классической» КМОП-серии прямых функциональных ТТЛ-аналогов не существует. Однако это вовсе не означает, что микросхем, выполняющих аналогичные функции, в ТТЛ и быстродействующей КМОП вообще нет. Так, в этих сериях нет микросхемы, аналогичной CD4000 (два элемента «ЗИЛИ-НЕ» и один элемент «НЕ»), но есть микросхема ЛЕ4 (74хх27), содержащая три элемента «3ИЛИ-НЕ», которые могут выполнять те же функции. Для некоторых типов, как для упомянутой CD4056, функциональный аналог приведен неполный: ПУ4 и 74НС4050 имеют обычный двухтактный выход, а ЛП4 и 74хх17 — с открытым коллектором, еще сложнее ситуация с некоторыми счетчиками. Поэтому при замене «классических» КМОП-микросхем на их быстродействующие аналоги и, тем более, на ТТЛ-микросхемы всегда следует сверяться с техническими описаниями.
CD4xxx — наименование серии 4000, принятое в фирме Fairchild Semiconductor, МСИххх — в фирме Motorola. У других фирм могут быть свои префиксы, например, SN4xxx — у Texas Instruments, HCC или HCF — у фирмы ST Microelectronics, HEF — у Philips и NXP. Микросхемы серии 74НС Texas Instruments выпускает также с префиксом SN, Fairchild — с префиксом ММ, остальные с префиксом М или вовсе без префикса. Еще разнообразнее правила в отношении 74АС, кроме того, все эти правила действуют не всегда, — так, имеются микросхемы с префиксом CD, но производства не Fairchild, а других фирм (например, Texas Instruments или Philips).
