Тепловыделение

• Силовые устройства должны рассеивать большое количество внутреннего тепла.
• Для силовых биполярных транзисторов клемма коллектора является критическим соединением:

1. Корпус транзистора всегда соединен с клеммой коллектора. Корпус спроектирован таким образом, чтобы обеспечить большую площадь контакта между ним и внешним теплоотводом.
2. Тепло от транзистора проходит через корпус к радиатору и затем рассеивается в окружающем воздухе.

• Радиаторы различаются по размеру, количеству ребер и типу материала. Их размер зависит от требований по отводу тепла и максимальной температуры окружающей среды, при которой работает транзистор.

Центрированная точка Q

• Линии нагрузки постоянного и переменного тока пересекаются в точке Q. Когда точка Q находится в центре линии нагрузки переменного тока, можно получить максимальный сигнал класса А.

• На этом графике показана линия нагрузки переменного тока с точкой Q в центре. I _C может варьироваться от своего значения Q-point, I _CQ , до его значения насыщения, I _c(sat) , и до его нулевого значения отсечки.
• V _CE может колебаться от своего значения точки Q, V _CEQ , до своего значения отсечки, V _ce(cutoff) , и вниз до своего значения насыщения, близкого к нулю.
• Эта операция показана на рис. 2(б). Пиковое значение I _C равно I _CQ , а пиковое значение V _CE равно V _CEQ в этом случае.
• Это максимальный сигнал, который можно получить от усилителя класса А.

• На рис. 3 показана линия нагрузки переменного тока с нецентрированной точкой Q, смещенной от центра к отсечке. В этом случае выходное изменение ограничено отсечкой.
• I _C может опускаться только почти до нуля и на равную величину выше I _CQ . V _CE может колебаться только до своего значения отсечки и на равную величину ниже V _CEQ .
• Эта ситуация проиллюстрирована на рис. 3(а). Если усилитель работает дальше, чем это, он будет «запираться» на отсечке, как показано на рис. 3(b).

• На рис. 4 показана линия нагрузки переменного тока, где точка Q смещена от центра к насыщению. Выходное изменение ограничено насыщением.
• I _C может колебаться только почти до насыщения и на равную величину ниже I _CQ . V _CE может опускаться только до своего значения насыщения и на равную величину выше V _CEQ .
• Эта ситуация проиллюстрирована на рис. 4(а). Если усилитель будет работать дальше, он будет «защелкиваться» при насыщении, как показано на рис. 4(b).

Коэффициент усиления по мощности

• Коэффициент усиления по мощности представляет собой отношение выходной мощности (мощности, подаваемой на нагрузку) к входной мощности. В целом прирост мощности составляет

, где A _p — усиление мощности, P _L — мощность сигнала, подаваемая на нагрузку, а P _в — мощность сигнала, подаваемая на усилитель.

• Прирост мощности можно рассчитать по любой из нескольких формул, в зависимости от того, что известно.
• Часто самый простой способ получить прирост мощности — это входное сопротивление, сопротивление нагрузки и коэффициент усиления по напряжению:

любой усилитель.

• Для усилителя с общим коллектором (CC) A _p — это просто отношение входного сопротивления к выходному сопротивлению нагрузки.

Мощность постоянного тока в состоянии покоя

• Рассеиваемая мощность транзистора без входного сигнала является произведением тока и напряжения в точке Q.

• Мощность постоянного тока в режиме покоя — это максимальная мощность, с которой может работать усилитель класса А. Номинальная мощность транзистора должна превышать это значение.

Выходная мощность

• Обычно мощность выходного сигнала является произведением среднеквадратичного значения тока нагрузки и среднеквадратичного значения напряжения нагрузки.
• Максимальный неограниченный сигнал переменного тока возникает, когда точка Q находится в центре линии нагрузки переменного тока. Для усилителя CE с центральной точкой Q максимальный размах пикового напряжения равен

Среднеквадратичное значение равно 0,707 В _c(max) .

• Максимальный размах пикового тока

Среднеквадратичное значение 0,707I _{с(макс.)} .

• Максимальная выходная мощность усилителя класса А составляет

Эффективность

• Эффективность любого усилителя представляет собой отношение мощности выходного сигнала, подаваемого на нагрузку, к полной мощности источника постоянного тока.
• Средний ток питания, I _CC , равен I _CQ , а напряжение питания не менее 2В _CEQ . Следовательно, общая мощность постоянного тока равна

• Максимальный КПД, n _max , усилителя класса А с емкостной связью

• Максимальный КПД усилителя класса А с емкостной связью не может превышать 0,25, или 25%, а на практике обычно значительно меньше (~10%) .
• В целом, низкий КПД усилителей класса A ограничивает их полезность для приложений с низким энергопотреблением, которые обычно требуют менее 1 Вт. 0308
  • Работа класса B проиллюстрирована на рис. 5, где форма выходного сигнала показана относительно входного сигнала во времени (t).
  Рис. 5: Базовая работа усилителя класса B (неинвертирующий)

  Точка Q находится в точке отсечки

  • Усилитель класса B смещен в точке отсечки так, что I _CQ =0, В _CEQ = V _{CE(отсечка)} .
  • Он выводится из отсечки и работает в своей линейной области, когда входной сигнал переводит транзистор в проводимость. Это показано на рис. 6 со схемой эмиттерного повторителя, где выход не является копией входа.
  Рис. 6: Усилитель класса B с общим коллектором

  Двухтактный режим класса B

  • Комбинация двух усилителей класса B, работающих вместе, называется двухтактным режимом.
  • Для усиления всего цикла на рис. 6 необходимо добавить второй усилитель класса B, работающий на отрицательной половине.
  • Существует два распространенных способа использования двухтактных усилителей:
  1. через трансформаторную связь
  2. через транзисторы с комплементарной симметрией; подходящая пара npn/pnp BJT

  Трансформаторная муфта

  Рис. 7: Двухтактные усилители с трансформаторной связью
  • Входной трансформатор имеет вторичную обмотку с отводом от середины, которая соединена с землей, создавая инверсию фаз одной стороны по отношению к другой. Это преобразует входной сигнал в два противофазных сигнала для транзисторов.
  • Q1 проводит в течение положительного полупериода; Q2 проводит в течение отрицательного полупериода.
  • Выходной трансформатор пропускает ток в обоих направлениях, объединяя сигналы, даже если один транзистор всегда отключен. Положительный сигнал питания подключается к центральному отводу выходного трансформатора.

  Транзисторы с комплементарной симметрией

  Рис. 8. Двухтактный режим работы переменного тока класса B
  • На рис. 8 используются два эмиттерных повторителя и как положительный, так и отрицательный источники питания.
  • В одном эмиттерном повторителе используется npn-транзистор, а в другом — pnp-транзистор, проводящий ток при противоположных чередованиях входного цикла. Обратите внимание, что базовое напряжение смещения постоянного тока отсутствует (V _B =0).
  • Только напряжение сигнала управляет проводимостью транзистора. Q1 проводит в течение положительной половины входного цикла, а Q2 проводит в течение отрицательной половины.
  • Перекрестное искажение: Когда V _B =0, оба транзистора закрыты, и напряжение входного сигнала должно превысить V _BE , прежде чем транзистор откроется.
    • Существует временной интервал между положительным и отрицательным чередованием входного сигнала, когда ни один из транзисторов не проводит, как показано на рис. 9. Результат называется перекрестным искажением.
  Рис. 9. Кроссоверные искажения в двухтактном усилителе класса B

  Смещение двухтактного усилителя для работы в классе AB

  • Для преодоления перекрестных искажений смещение регулируется таким образом, чтобы просто преодолеть V _BE транзисторов; это приводит к модифицированной форме операции, называемой классом AB.
  • В режиме работы класса AB двухтактные каскады имеют небольшую проводимость даже при отсутствии входного сигнала. Это можно сделать, как показано на рис. 10.
  Рис. 10: Смещение двухтактного усилителя с помощью токового зеркального диода для устранения перекрестных искажений. Транзисторы образуют комплементарную пару (один npn и один pnp).
  • Токовое зеркало: когда характеристики диодов D1 и D2 близки к характеристикам перехода база-эмиттер транзистора, ток в диодах и транзисторах одинаков.
  • В цепи смещения резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение, равно как и напряжения питания +/-, поэтому напряжение в точке A равно 0 В и устраняется необходимость во входном разделительном конденсаторе.
  • Напряжение постоянного тока на выходе также равно 0 В. Если предположить, что оба диода и оба комплементарных транзистора идентичны, падение на D1 равно V _BE Q1, а падение на D2 равно V _BE Q2.
  • Постоянное напряжение на выходе также равно 0 В.
  • Предполагая, что D1, D2 и оба транзистора идентичны, V _D1 = V _BE Q1 и V _D2 = V _BE Q2. Поскольку они согласованы, ток диода будет таким же, как у I _CQ .
  • Ток диода и I _CQ можно найти, применив закон Ома к R1 или R2 следующим образом:
  • Кроссоверные искажения также возникают в усилителях с трансформаторной связью. В этом случае на вторичную обмотку входного трансформатора подается напряжение 0,7 В, которое просто переводит оба транзистора в проводящее состояние.
    • Напряжение смещения, создающее этот перепад, может быть получено от источника питания с использованием одного диода, как показано на рис. 11.
  Рис. 11: Устранение перекрестных искажений в двухтактном усилителе с трансформаторной связью. Смещенный диод компенсирует падение напряжения база-эмиттер транзисторов и обеспечивает работу класса AB.

  Работа от переменного тока

  • Рассмотрим линию нагрузки переменного тока для Q1 на рис. 10. Точка Q находится немного выше отсечки. Напряжение отсечки переменного тока для работы с двумя источниками питания составляет V _CC с I _CQ , как указано выше.
  • I _c(sat) для работы с двумя источниками питания с двухтактным усилителем:
  • Линия нагрузки переменного тока для npn-транзистора показана на рис. 12. Линию нагрузки постоянного тока можно найти на чертеже. линия, проходящая через V _CEQ и I _c(sat) .
  Рисунок 12: Линии нагрузки для двухтактного усилителя с комплементарной симметрией. Показаны только линии нагрузки для транзистора npn.
  • Ток насыщения для постоянного тока — это ток, если коллектор-эмиттер замкнут на обоих транзисторах.
  • Это предполагаемое короткое замыкание источников питания, очевидно, приведет к максимальному току от источников питания и означает, что линия нагрузки постоянного тока проходит почти вертикально через отсечку.
  • Работа вдоль линии нагрузки постоянного тока, например, вызванная тепловым разгоном, может привести к возникновению такого высокого тока, что транзисторы разрушатся.
  • На рис. 13(a) показана линия нагрузки переменного тока для Q1 на рис. 13(b).
  Рис. 13: Линия нагрузки переменного тока для Q1
  • В этом случае подается сигнал, который проходит через область линии нагрузки переменного тока, выделенную жирным шрифтом.
  • На верхнем конце линии нагрузки переменного тока напряжение на транзисторе (V _ce ) минимальное, а выходное напряжение максимальное.

  Двухтактный усилитель с однополярным питанием

  • Двухтактные усилители, использующие транзисторы с комплементарной симметрией, могут работать от одного источника напряжения, как показано на рис. 14.
  Рис. 14. Несимметричный двухтактный усилитель
  • Схема работает так же, за исключением того, что смещение устанавливается таким образом, чтобы выходное напряжение эмиттера составляло В _CC /2 вместо 0 В.
  • Емкостная связь для вход и выход необходим для блокировки напряжения смещения от источника и нагрузочного резистора.
  • В идеале выходное напряжение может колебаться от нуля до В _CC , но на практике оно не совсем достигает этих идеальных значений.

  Мощность класса B/AB

  • Максимальная выходная мощность
    • Идеальный максимальный пиковый выходной ток для двухтактных усилителей с двойным и однополярным питанием приблизительно равен I _c(sat) , а максимальный пиковый выходное напряжение примерно V _CEQ .
    • Поскольку I _{вых (среднеквадратичное значение)} = 0,707I _{c (насыщенное)} и V _{вых (среднеквадратичное значение)} = 0,707 В _CEQ , P _вых = 0,5 I CE 0 (sat) . Замена В _CEQ = V _CC /2, максимальная средняя выходная мощность составляет
  • Входная мощность постоянного тока
    • _СС В _СС . Поскольку каждый транзистор потребляет ток в течение полупериода, ток представляет собой полуволновой сигнал со средним значением . Таким образом,
  • КПД
    • Преимущество двухтактных усилителей классов B и AB по сравнению с усилителями класса A заключается в гораздо более высоком КПД.
    • Это преимущество обычно перевешивает сложность смещения двухтактного усилителя класса AB для устранения кроссоверных искажений.
    • Напомним: . Максимальный КПД для усилителя класса B (класс AB немного меньше) рассчитывается как
  • Входное сопротивление
    • Дополнительная двухтактная конфигурация, используемая в усилителях класса B/AB, на самом деле, два эмиттерных повторителя.
    • Входное сопротивление эмиттерного повторителя, где R1 и R2 — резисторы смещения, составляет . Начиная с Р _E = R _L ,

  Усилитель класса C

  • Усилители класса C смещены так, что проводимость происходит гораздо меньше, чем на 180°.
  • Усилители класса C более эффективны, чем усилители класса A или двухтактные усилители класса B и класса AB; большая выходная мощность может быть получена при работе класса C.
  • Выходная амплитуда является нелинейной функцией входной, поэтому усилители класса C не используются для линейного усиления.
  • Обычно они используются в радиочастотных (РЧ) приложениях, таких как генераторы с постоянной выходной амплитудой и модуляторы, где высокочастотный сигнал управляется низкочастотным сигналом.

  Базовая работа класса C

  • Основная концепция работы класса C показана на рис. 15.
  Рис. резистивная нагрузка показана на рис. 16(а). Он смещен ниже отсечки с отрицательным значением V _ВВ поставка.
• Пиковое значение напряжения источника переменного тока немного превышает |V _BB |+V _BE , так что базовое напряжение превышает барьерный потенциал база-эмиттер на короткое время вблизи положительного пика каждого цикла, как показано на рис. 16(б).
  • В течение этого короткого интервала транзистор включается.
• Когда используется вся линия нагрузки переменного тока, как показано на рис. 16(c), идеальный максимальный ток коллектора составляет I _c(sat) , а идеальное минимальное напряжение коллектора равно V _ce(sat) .

Рассеиваемая мощность

• Рассеиваемая мощность транзистора в усилителе класса C невелика, поскольку он открыт только в течение небольшого процента входного цикла.
• На рис. 17(a) показаны импульсы тока коллектора. Время между импульсами является периодом (T) входного напряжения переменного тока. Ток коллектора и напряжение коллектора в течение на время транзистора показаны на рис.17(б).

• Предположим, что импульс идеален.
• Если выходной сигнал колеблется при всей нагрузке, максимальная амплитуда тока составляет I _c(sat) , а минимальная амплитуда напряжения составляет V _ce(sat) во время работы транзистора. Следовательно, рассеиваемая мощность во время включения равна .

• Транзистор включен на короткое время, t _на , и выключен до конца входного цикла. Предполагая, что используется вся линия нагрузки, рассеиваемая мощность, усредненная за весь цикл, составляет

Максимальная выходная мощность

• Поскольку размах напряжения, развиваемого в цепи резервуара, составляет примерно 2 В _CC , максимальная выходная мощность может быть выражена как