Режимы и классы работы транзисторных усилительных элементов

Описание существующих классов режимов работы каскадов предварительного усиления, а также выходных каскадов усилителей мощности. Работа любого усилительного элемента, будь то транзистор или лампа, определяется режимом их работы. Однако всегда следует понимать, что любой усилительный элемент может работать в линейном режиме усиления только на некотором участке передаточной характеристики (ВАХ). В зависимости от выбранного режима может возникнуть ситуация, когда при слишком низких уровнях подводимого сигнала транзистор или лампа ещё не могут усиливать (находятся в режиме отсечки, или, как говорят, ещё не открылись), а при слишком высоких входных уровнях входят в насыщение и перестают усиливать, работая в режиме ограничения. В схемотехнике существует несколько режимов работы усилительных элементов, отличающихся друг от друга свойствами, а соответственно, и имеющих различные области применения. В зависимости от положения рабочей точки на передаточной характеристике усилительного элемента, принято различать 4 режима работы каскада (или класса усиления): А, B, АВ и С. Это традиционные режимы, которые используются для аналогового усиления сигнала. Для цифрового же усиления усилительный элемент загоняется в ключевой режим, а такой класс усиления называется — классом D. На самом деле у различных производителей РЭА можно обнаружить и массу других букв, которыми если постараться, то можно практически полностью заполнить латинский букварь. Однако, как было справедливо отмечено в журнале «EDN Europe»: «Сочинение новых классов усилителей — не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компаниям больше вреда, чем пользы…». Основными характеристиками, на которые влияет выбор режима элемента усиления, являются — уровень нелинейных искажений и КПД каскада. Поговорим поподробней о каждом из режимов. 1. Режим класса А. Рис.1 На рисунке Рис.1 красным цветом обозначена передаточная характеристика усилительного элемента (транзистора или лампы), представляющая собой зависимость выходного тока каскада от поступающего на вход напряжения. Синим — входное напряжение, чёрным — соответственно, выходной ток элемента. Режим А характеризуется тем, что рабочая точка ( р.т.) в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) передаточной характеристики, а любые допустимые значения входного сигнала (напряжения или тока) не вызывают изменения выходного тока. Каким следует выбрать ток покоя элемента для режима А? Как минимум не ниже пикового тока, отдаваемого каскадом в нагрузку! Теоретический КПД такого каскада при неискажённом усилении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %. На практике — около 40…45% для двухтактных каскадов и около 30% — для однотактных. Данный класс А является наиболее линейным режимом усиления и характеризуется минимальными значениями гармонических искажений, в связи с чем нашёл практически повсеместное применение в усилителях напряжения входных и промежуточных каскадов. В выходных каскадах усилителей мощности (в связи с низким КПД) применяется гораздо реже и в основном бывает замечен в аппаратуре класса High End. 2. Режим класса В. Рис.2 Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики усилительного элемента (Рис. 2), в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток, а соответственно и потребляемая каскадом мощность близки к нулю. В режиме B усилительный элемент способен воспринимать либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные – другим. В нагрузке усиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма. Режим B характеризуется гораздо более высоким значением КПД усилителя (по сравнению с режимом А), которое может достигать 80%. Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B как правило устанавливается небольшой, но не нулевой, ток покоя (10…30мА). Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный режим АВ. 3. Режим класса АВ. Рис.3 Отличительным свойством режим АВ является то, что его рабочая точка тока покоя занимает промежуточное положение на передаточной характеристике между началом координат и серединой линейного участка (Рис.3). Ток покоя каскада в режиме AB на порядок выше (сотни мА), чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток покоя, необходимый для режима А. Поэтому данный режим работы усилителя характеризуется достаточно высокими значениями КПД (60…70%) при относительно небольших уровнях нелинейных искажениях формы выходного сигнала. Что, собственно говоря, и определило его повышенную популярность в двухтактных выходных каскадах усилителей мощности. 4. Режим класса С. Рис.4 В режиме класса C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана таким образом, что при нулевом напряжении на входе усилительный элемент наглухо заперт (Рис.4). Если рассматривать каскады на биполярных транзисторах — то р.т. находится за точкой отсечки полупроводника, т.е. на 0,6…0,7В ниже начала области относительной линейности. Данный режим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к 100%. Хотя на практике реальные значения КПД составляют 80…90%. Из-за высоких уровней нелинейных искажений каскады, работающие, в режиме С, даже в двухтактном исполнении, редко используются для усиления широкополосных сигналов. А вот в резонансных усилителях радиопередающих устройств они, напротив, нашли широкое применение благодаря их высокому КПД. 4. Режим класса D. Режим D – это ключевой режим работы, при котором управляющий элемент (транзистор) может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Главным достоинством данного режима является очень высокое (близкое к 100%) значение КПД устройства. Используя усиление поступающих на вход прямоугольных импульсов изменяемой скважности (ШИМ-модуляция), такой режим широко используется во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления энергии он практически вытеснил все остальные классы усилителей. А после начала производства силовых МДП-транзисторов, стал возможен массовый выпуск УМЗЧ класса D с реальным значением КПД — 90…95%. Рис.5 На Рис.5 изображена распространённая структурная схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Работает это устройство следующим образом. Гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада на силовых полевых транзисторах, преобразуются в прямоугольные импульсы, модулированные по ширине (скважности). После усиления модулированных импульсов, посредством LC фильтра осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал первоначальной гармонической формы. Выглядит это примерно так: Рис.6 Здесь импульсный сигнал, сформированный управляющей схемой методом сравнения амплитуд: задающего генератора сигнала треугольной формы и входного гармонического сигнала, используется для управления выходными силовыми транзисторами. Положительная полярность импульсов управляет верхним ключом (Рис.5), отрицательная — нижним.

Режимы работы транзисторов в оконечных каскадах — Мегаобучалка

 

Рассмотрим возможные режимы работы транзистора при усилении симметричных сигналов. К симметричным сигналам относятся такие, для которых равновероятны одинаковые отклонения напряжения или тока сигнала в обе стороны от его исходного значения. К таким сигналам, помимо гармонических колебаний, относятся сигналы звуковых передач, телевизионных изображений и различных импульсных устройств с двухсторонними импульсами.

 

5.1.1. Режим класса А

Наиболее естественным режимом для усиления симметричных сигналов является режим класса А, сущность которого состоит в том, что исходная рабочая точка (РТ) выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики. Целесообразность такого выбора исходной рабочей точки при симметричных сигналах очевидна, т.к. при этом ограничения линейного участка характеристики по максимуму и по минимуму наступают одновременно при наибольшей амплитуде напряжения сигнала.

В транзисторном каскаде ограничением по минимуму является допустимое наибольшее значение выходного тока при максимальной температуре или наименьшее значение напряжения, соответствующее переходу к области насыщения. Ограничением по минимуму является начало искривления (загиба) сквозной динамической характеристики в области малых токов. Работу транзистора в режиме класса А для схемы ОЭ поясняет рис. 5.1.

 

 

Здесь исходная смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_БЭ0 выбрана таким образом, что исходный коллекторный ток I_К0 находится на середине используемого линейного участка характеристики . При синусоидальном изменении ЭДС источника сигналов с амплитудой Е_БЭm коллекторный ток изменяется также синусоидально с амплитудой I_Кm.

Вводится понятие угол отсечки Q, определяемый как половина длительности прохождения тока в выходной цепи за 1 период гармонического сигнала (рис. 5.1). В классе А Q_А = π.

Режим класса А является наиболее универсальным режимом работы. Он применяется при симметричных сигналах в каскадах предварительного усиления, а также в предоконечных и оконечных каскадах при небольших мощностях усилителя (обычно до 0,5…1 Вт).

Основным преимуществом режима класса А является малая величина нелинейных искажений, обеспечиваемая наиболее простым способом, а именно использованием только линейного участка характеристики. Недостатком режима класса А является малая величина КПД каскада, объясняемая большой постоянной составляющей выходного тока, которая даже при отсутствии сигнала на входе (в паузе) равна I_К0, что обусловливает значительную величину мощности, рассеиваемой в транзисторе (P_К). КПД каскада в общем виде (для любого режима работы) определяется как

, (5.1)

где P_Н – полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

P₀ – мощность, потребляемая от источника питания.

Мощность P_К , рассеиваемая в транзисторе

P_К = P₀ – P_Н. (5.2)

Из выражения (5.2) ясно, что наибольшая мощность выделяется на транзисторе, когда P_Н = 0, т.е. при отсутствии сигнала на входе, т.к.

P₀ = E_К I_КСР , (5.3)

но в режиме класса А, как это видно из рис. 5.1, I_{К СР} = I_К0, а I_К0 , как указывалось ранее, имеет значительную величину.

Введём нормированную переменную ξ — коэффициент использования напряжения питания:

ξ = U_Кm / E_К . (5.4)

P_Н = 0,5 ּU_Кm I_Кm = 0,5 ξ ּ E_К I_Кm = .

На рис. 5.2 показана зависимость мощностей от ξ : потребляемая мощность P₀ не зависит от ξ ; полезная мощность P_Н растёт квадратично и при ξ = 1 P_Нm = P₀ /2; мощность потерь P_К максимальна при ξ = 0.

. (5.5)

 

 

5.1.2. Режим класса В

Для повышения КПД оконечного усилительного каскада применяется режимкласса В, при котором исходная рт выбирается в начале сквозной динамической характеристики, т.е. в точке i_К = I_КН, а смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_БЭ0 » 0 (рис. 5.3).

 

 

 

 

Если пренебречь ничтожно малым током I_КН, можно считать, что коллекторный ток проходит через транзистор только в течение одного полупериода, и поэтому угол отсечки в режиме q_В = p/2 (рис. 5.3). Поэтому

неискаженное воспроизведение симметричного сигнала при апериодическом характере нагрузки возможно только при использовании двухтактной схемы оконечного каскада.

В режиме класса В КПД увеличивается, во-первых, за счет лучшего, по сравнению с режимом класса А, использования транзистора по току (I_{К mВ} > I_КmA), благодаря чему полезная мощность

(5.6)

оказывается больше, чем P_Н в режиме класса А, а во-вторых, в паузе, т.е. при отсутствии сигнала на входе, от источника питания мощность практически вообще не потребляется в соответствии с (5.6), т.к. I_К0 = 0, а средний ток в режиме класса В можно считать приблизительно равным I_Кmax/p. Мощность, потребляемая от источника питания P₀ при наличии сигнала на входе, определяется средним током и оказывается примерно равной E_КI_{К СР} .

Таким образом, по энергетическим показателям режим класса В имеет несомненные преимущества по сравнению с режимом класса А. Недостатком режима класса В является большее искажение сигнала. Кроме того, режиму класса В присущи специфические искажения типа центральной отсечки, обусловленные тем, что транзисторы в плечах двухтактного оконечного каскада имеют явную нелинейность сквозной динамической характеристики в области малых коллекторных токов. Сказанное поясняется графиком на рис. 5.4.

 

 

 

Разложим пульсирующий ток (рис. 5.5) одного плеча (в идеализированных условиях, без учёта центральной отсечки) в ряд Фурье:

 

;

.

Мощность, потребляемая одним плечом:

(5.7)

Мощность, выделяемая на нагрузке:

(5.8)

такая же, как и в классе А.

Мощность потерь:

(5.9)

достигает максимума при ξ = 2/π = 0,637.

 

На рис. 5.6 показана зависимость мощностей от ξ : потребляемая мощность P₀ линейно зависит от ξ ; полезная мощность P_Н растёт квадратично и при ξ = 1 P_Нm = 0,785P₀ ; мощность потерь P_К максимальна при ξ = 0,637.

 

5.1.3. Режим класса АВ

Для того, чтобы сохранить энергетические преимущества режима класса В и избежать искажений типа «центральной отсечки», используют режим класса АВ, при котором увеличивают ЭДС смещения EБЭ0 и рабочую точку (рт) выводят на некий начальный участок сквозной характеристики, пропустив через транзистор в исходном режиме небольшой ток покоя E_К0. В этом случае выходной ток проходит через транзистор в течение более чем половины периода, т.е. угол отсечки p/2 < q_АВ << p (рис. 5.7).

 

 

КПД в режиме класса АВ несколько меньше, чем в режиме класса В, в силу того, что при отсутствии сигнала на входе (в паузе) от источника питания потребляется мощность P₀ = I_К0Е_К. Мощность, потребляемая от источника питания при наличии сигнала на входе, так же, как и в режиме класса В, определяется средним током, (формула (5.3)).

 

Таким образом, режим класса АВ сочетает в себе высокую энергетическую эффективность класса В и малую величину нелинейных искажений класса А.

5.1.4. Режим класса С

В режиме класса С ртвыбирается левее нуля на оси e_БЭ , угол отсечки 0 < q_С < p/2 (рис. 5.8).

В режиме класса С при q_С → 0 η → 100% , но К_Г очень велик. Поэтому этот режим в аудио- и видеотехнике не используется, а применяется только в мощных усилителях радиопередатчиков, где основное требование – высокий η. Резонансные контуры позволяют выделить только одну первую гармонику радиосигнала и свести до нуля К_Г.

 

 

5.2. Схемы двухтактных каскадов класса В

5.2.1. Схема на транзисторах одного типа проводимости

Схема двухтактного каскада класса В с симметричным питанием на транзисторах одного типа проводимости приведена на рис. 5.9. Преимущество этой схемы – возможность выбрать идентичные транзисторы. Схема имеет следующие недостатки:

· Сложная входная цепь: сигналы е_Г1 и е_Г2 должны быть равными по амплитуде, но противофазными;

· Необходимы два источника питания Е_П1 , Е_П2 .

 

5.2.2. Схема на комплиментарных транзисторах с симметричным питанием

 

 

В схеме (рис. 5.10) устранён первый недостаток предыдущей схемы. Но появился новый недостаток – требуется комплиментарная пара мощных транзисторов с идентичными параметрами.

 

5.2.3. Схема на комплиментарных транзисторах с разделительным конденсатором

В схеме (рис. 5.11) устранён другой недостаток – наличие двух источников питания.

 

 

Подключение R_Н через конденсатор С позволяет применить только один источник питания Е_П. Но появляется новый недостаток – наличие конденсатора большой ёмкости. Сопротивление конденсатора С во всём диапазоне частот усилителя, прежде всего – на нижних частотах F_Н, должно быть значительно (например, в 10 раз) меньше сопротивления R_Н.

Пример. R_Н = 7 Ом, F_Н = 20 Гц, тогда

.

Конденсатор С не должен быть электролитическим, поэтому реализовать эту схему с конденсатором столь большой ёмкости весьма трудно.

5.2.4. Схема Лина

В двухтактном усилителе класса В, выполненном по схеме Лина, используются составные транзисторы: в верхнем плече транзисторы VT1-1, VT1-2 соединены по схеме Дарлингтона, в нижнем плече транзисторы VT2-1, VT2-2 соединены по комплиментарной схеме Дарлингтона (рис. 5.12). Параметры составных транзисторов определяются однотипными мощными транзисторами VT1-2, VT2 2, а вид составных транзисторов (pnp или npn) определяется маломощными транзисторами VT1-1, VT2 1.

 

 

 

Несмотря на недостаток – два источника питания – именно схема Лина наиболее часто применяется в усилителях класса В и АВ.

 

 

5.3. Двухтактные каскады класса АВ

 

Класс АВ – промежуточный между классами А и В, обычно в классе АВ рабочая точка выбирается ближе к классу В (говорят, «глубокий АВ»). Переходные искажения классов А, АВ иллюстрирует рис. 5.13. Как видно из рис. 5.13,б, в классе АВ практически отсутствуют искажения вида «центральная отсечка», характерные для класса В (рис. 5.13,а).

Рабочая точка выходных транзисторов для класса АВ устанавливается смещением с помощью диодов D₁, D₂ (рис. 5.14,б).

 

 

а)	б)
Рис. 5.14. Схемы двухтактных каскадов: а — класс В; б — класс АВ

 

5.4. Сравнение режимов классов А, В и АВ

 

Сравнительные характеристики режимов классов А, В и АВ приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Параметры	Класс А	Класс В	Класс АВ
Потребляемая мощность, P0	Сигнал большой	Большая (–)	Малая (+)	Малая (+)
Сигнал малый	Большая (– –)	Малая (+ +)	Малая (+ +)
КПД, η	Сигнал большой	Малый (–)	Большой (+)	Большой (+)
Сигнал малый	Оч. малый (– –)	Оч. больш. (+ +)	Оч. больш. (+ +)
Коэффициент гармоник, КГ	Сигнал большой	Малый (+)	Малый (+)	Малый (+)
Сигнал малый	Оч. малый (+ +)	Большой (–)	Малый (+)
Схемная простота	(+)	(–)	(–)

 

Рабочая точка транзисторного каскада

Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задается током базы и напряжением на коллекторе.

Базовый ток транзистора в схеме (рис. 4.4) определяется как ток через сопротивление в цепи базы R_Б:

 

EБ −UБЭ

IБ = . (4.14)

R_Б

 

Он может быть также определен как точка пересечения входной ВАХ транзистора и линии нагрузки цепи базы (точка 1 на рис.4.5а)

Ток коллектора определяется точкой пересечения линии нагрузки цепи коллектора и выходной характеристики транзистора (точка 1 на рис

4.5б.)

Значение тока коллектора можно вычислить по формуле:

^I_K = β_DC ⋅ ^I_Б . (4.15)

 

Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения линии нагрузки цепи коллектора:

U_КЭ = E_K − I _K ⋅ R_K . (4.16)

 

В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе R_К падения напряжения. Следовательно, напряжение U_КЭ максимально и равно напряжению источника питания Е_К. Данный режим соответствует точке 2 на рис. 4.5б.

Работа транзисторного каскада в режиме малого сигнала

При работе транзисторного каскада в режиме малого сигнала обеспечивается наибольшее усиление входного сигнала при минимальных искажениях. Характерной особенностью данного режима является то, что при всех возможных значениях входного сигнала рабочая точка транзистора не выходит из линейной области.

Расчет режима малого сигнала состоит в нахождении постоянных и переменных составляющих токов и напряжений в транзисторном каскаде. Расчет постоянных составляющих позволяет найти параметры рабочей точки транзисторного каскада (статический режим). Расчет переменных составляющих – усилительные свойства каскада в этой точке.

Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением амплитуд выходного синусоидального напряжения к входному:

 

U^ВЫХm

К_У = . (4.17)

UВХm

Величина этого параметра в схеме с общим эмиттером приближенно

равна отношению сопротивления в цепи коллектора r_К к сопротивлению в цепи эмиттера r_Э:

r^K

K_У = . (4.18) r_Э

 

Сопротивление в цепи коллектора r_К определяется параллельным соединением сопротивления коллектора R_K и сопротивления нагрузки R_Н, роль которого может играть, например, входное сопротивление следующего каскада:

RK ⋅ RН RK + RН

rK = . (4.19)

 

Сопротивление в цепи эмиттера r_Э это сопротивление эмиттерного перехода, равное r_Э = 25мВ/I_Э. , причем в силу малости тока базы можно считать I_Э≈ I_К.Если в цепи эмиттера включен резистор сопротивлением R_Э, то коэффициент усиления следует рассчитывать по формуле:

r^K

K_У = . (4.20) rЭ + RЭ

 

Важными параметрами транзисторного каскада являются также входное и выходное сопротивления.

и входного тока IВХm:
	U rВХ = ВХm .	(4.21)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U_ВХm

^IВХm

 

Входное сопротивление усилителя по переменному току вычисляется как параллельное соединение входного сопротивления транзистора r_i = β_АС⋅r_Э и резисторов в цепи смещения базы. В схеме рис.4.4 используется

один резистор R_Б , поэтому входное сопротивление каскада равно:

1 1 1

= + . (4.22) rВХ ri RБ

 

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению U_ХХm холостого хода на выходе усилителя и по напряжению U_ВЫХm, измеренному для сопротивления нагрузки R_Н , из следующего уравнения, решаемого относительно r_ВЫХ:

UВЫХm RН

= . (4.23)

UХХm RН + rВЫХ

Выбор рабочей точки транзисторного каскада определяет особенности работы транзисторного каскада. Максимальная величина неискаженного переменного напряжения на выходе может быть получена при условии, когда в статическом режиме постоянное напряжение на коллекторе равно половине напряжения коллекторного источника питания U_K =E_K /2.

При неудачном выборе амплитуды входного сигнала и величины базового смещения возникают искажения: выходное напряжение принимает несинусоидальную форму. Для устранения искажений нужно скорректировать положение рабочей точки или уменьшить амплитуду входного сигнала.

 



4. Режимы работы активных элементов усилительных каскадов

4.1. Режимы работы транзистора.

В общем случае для транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим – соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим – полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным – коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чм в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) – оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно.Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа.

Угол отсечки – половиной той части периода, в течение которого транзистор открыт.

Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

4.2. Классы усиления.

Чтобы различать динамику изменений режимов работы транзистора (а это имеет значение при расчете их энергопотребления и тепловыделения) вводится понятие класса усиления. Различают пять основных классов усиления, которые обозначаются прописными латинскими буквами: А, В, АВ, C, D.

Класс усиления А. При работе в данном классе усиления транзистор все время находится в активном режиме (рис. 4.1). Режим характеризуется тем, что ИРТ, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и в середине нагрузочной характеристики, так, что амплитудные значения сигналов не выходят за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора пропорциональны изменениям тока базы.

При работе в классе А:

• угол отсечки θ = 180°,

• КПД невысокий: η = (25…30)%,

• коэффициент гармоник: K_г = 1%(малые нелинейные искажения).

УК такого класса применяются в основном в качестве маломощных предварительных каскадов, но иногда и в качестве оконечных.

Рис. 4.1

Класс усиления В. Этот класс характеризуется тем, что ИРТ находится в начале входной характеристики (рис. 4.2). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки.

Рис. 4.2

При работе в классе B:

• угол отсечки θ = 90°,

• КПД значительно выше чем в классе А: η = (65…70)%,

• коэффициент гармоник: K_г ≤ 10%(большой уровень нелинейных искажений).

Существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, что вызвано повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки. Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях.

Класс усиления АВ. Данный класс усиления является промежуточным между классами А и В. В этом случае транзистор также переключается между режимом отсечки и активным режимом, но преобладающим является все-таки именно активный режим (рис. 4.3).

Рис. 4.3.

Незначительное понижение КПД усилительного каскада в классе АВ компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений при усилении одного из полупериодов входного сигнала.

При работе в классе АB:

• угол отсечки θ > 90°,

• КПД средний между классами А и В: η = (50…55)%,

• коэффициент гармоник: K_г ≤ 3%(невысокий уровень нелинейных искажений).

Схемы усилителей мощности строятся так, что участок со значительными нелинейностями, когда транзистор переходит из режима отсечки в активный режим и наоборот, просто не оказывает влияния на выходной сигнал.

Класс усиления С. В классе усиления С транзистор большую часть периода изменения напряжения входного сигнала находится в режиме отсечки, а в активном режиме – меньшую часть (рис. 4.4).

Рис. 4.4

При работе в классе С:

• угол отсечки θ < 90°,

• КПД высокий: η = (75…85)%,

• коэффициент гармоник: K_г ≥ 10%(очень высокий уровень нелинейных искажений).

Этот класс часто используется в выходных каскадах мощных резонансных усилителей (например, в радиопередатчиках) с повышенным КПД.

Класс усиления D. Предназначен для обозначения ключевого режима работы, при котором биполярный транзистор может находиться только в двух устойчивых состояниях: или полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (режим отсечки).

Литература:

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М: Додека-XXI, 2005.

2. Павлов В.Н., Ногин И.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М: Горячая Линия Телеком, 2001.

Разработал: доцент кафедры РЛ1 Чепурнов И.А.

Графический анализ усилительного каскада с ОЭ

 

Графический анализ каскада с ОЭ сводится к построению по известным семействам cтатических входных и выходных характеристик транзистора и сопротивлению резистора R_к так называемой динамической проходной характеристики (ДПХ). ДПХ позволяет выбрать режим каскада по постоянному току (рабочую точку), а также оценить величину амплитуды входного сигнала для обеспечения линейного режима работы усилителя.

Динамическими проходными характеристиками являются зависимости выходного тока или выходного напряжения от входного напряжения. Для каскада с ОЭ это будут зависимости i_к(u_бэ) или u_кэ(u_бэ). Для построения ДПХ используется уравнение, связывающее выходной ток с сопротивлением R_к. Это уравнение называется линией нагрузки по постоянному току. Из схемы рис.1 видно, что в соответствии с законом Кирхгофа в выходной цепи имеет место соотношение

.

(1)

 

Это линейное уравнение тока i_к относительно напряжения u_кэ может быть графически отражено на выходных характеристиках транзистора с ОЭ.

Точки пересечения семейства выходных ВАХ транзистора с линией нагрузки дают совокупность мгновенных значений выходных тока и напряжения в данном каскаде.

Рис.2 иллюстрирует графическое построение ДПХ каскада с ОЭ. Здесь на рис.2,а представлено семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ, на рис.2,б — семейство выходных ВАХ и линия нагрузки (утолщенная линия), построенная в соответствии с уравнением (1).

Рис.2

 

Состояние транзистора, определяемое точками пересечения ВАХ и линии нагрузки (ЛН), характеризуется конкретными значениями токов базы и коллектора, напряжений на промежутках база-эмиттер и коллектор-эмиттер. Для построения ДПХ удобно составить таблицу, в которой записываются координаты точек пересечения линии нагрузки и выходных ВАХ транзистора (см. табл.1).

Таблица 2.1

N	1	2	3	4	5
uкэ	uкэ1	uкэ2	uкэ3	uкэ4	uкэ5
iк	iк1	iк2	iк3	iк4	iк5
iб	iб1	iб2	iб3	iб4	iб5
uбэ	uбэ1	uбэ2	uбэ3	uбэ4	uбэ5

 

Эта таблица позволяет построить однозначные зависимости, связывающие выходные переменные с входными, а именно: i_к(u_бэ) или u_кэ(u_бэ), которые и являются динамическими проходными характеристиками. На рис.3 показаны примеры ДПХ каскада с ОЭ.

Рис.3

Для определения режима работы транзистора на участке ДПХ с наибольшей крутизной отмечается линейный участок (точки a, b), определяющий диапазон изменения входных и выходных переменных, а середина этого линейного участка (точка А) определяет режим каскада по постоянному току — рабочую точку транзистора. Рабочая точка характеризуется значениями I_к,0, U_бэ,0 и соответствующими им U_кэ,0 и I_б,0. Величина U_бэ,0 обычно называется напряжением смещения и обозначается Е_см.

На рис.4 с помощью ДПХ показано преобразование гармонического входного сигнала в режиме линейного усиления.

Рис.4

На линейном участке ДПХ амплитуда выходного тока I_m,к пропорциональна наклону (крутизне S) линейного участка ДПХ и амплитуде входного сигнала U_m,бэ , то есть I_m,к=SU_m,бэ , а амплитуда изменения напряжения на резисторе R_к равна I_m,к R_к .

Мгновенное напряжение на коллекторе равно

u_кэ=Е_к — I_m,кR_к Сos(w t),

а выходное напряжение (после разделительного конденсатора) будет равно

u_вых(t)= — I_m,кR_к Сos(w t).

Следовательно, амплитуда выходного напряжения определяется как

U_m,вых =U_m,вхSR_к ,

фаза же выходного напряжения отличается от фазы входного напряжения на 180⁰ . Следовательно, коэффициент передачи по напряжению каскада, определенный из графического анализа, равен

Графический анализ является ориентировочным для определения усилительных свойств каскада. Он не учитывает его частотных свойств, так как оперирует лишь со статическими характеристиками транзистора и линией нагрузки по постоянному току. Для более полного анализа усилительного каскада и определения его основных параметров и характеристик в режиме линейного усиления проводится анализ схемы по переменному току, в котором транзистор заменяется линейным четырехполюсником относительно выбранной в графическом анализе рабочей точки .

Исследование

ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДОВ

Йошкар-Ола

2012

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника»

модуль «Электроника»

по направлению подготовки 230100

«Информатика и вычислительная техника»

квалификация 230100.62

Йошкар-Ола

2012

УДК 621.317(076.5)

Исследование транзисторных каскадов: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника» (модуль «Электроника») для студентов по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» /Сост. С. В. Старыгин. − Йошкар-Ола: МарГТУ, 2012.

Определены цели и задачи изучения режима по постоянному току в усилительном транзисторном каскаде, приведены краткие теоретические сведения необходимые для понимания принципа действия усилительного каскада; определены критерии и правила выбора начальных рабочих точек на ВАХ, методики проведения экспериментов и расчетов рабочих точек на характеристиках, определения эксплуатационных характеристик транзисторных усилительных каскадов.

© Марийский государственный технический университет, 2012

© Старыгин С.В., 2012, составление

Лабораторная работа № 1 Исследование режимов работы транзисторного усилительного каскада

Цель работы:

− ознакомление с режимами работы усилительных каскадов, исследование режима по постоянному току транзисторного усилительного каскада, определение критериев выбора рабочих точек на вольт-амперных характеристиках транзистора, ознакомление со схемными вариантами транзисторных усилительных каскадов;

− расчет параметров схемы транзисторного каскада для заданной рабочей точки;

− формирование навыков самостоятельной работы со специальной аппаратурой.

1. Определение режима работы транзисторного усилительного каскада

Режим работы усилительного каскада определяется режимом работы транзистора. Режим работы транзистора определяется смещениями на эмиттерном и коллекторном переходах, которые определяют положения начальных рабочих точек на входной и выходной ВАХ соответственно.

Положение начальных рабочих точек на ВАХ зависит от основных требований предъявляемых к усилительному каскаду, таких как коэффициент усиления и коэффициент полезного действия (к.п.д.). Следует отметить, что чем выше положение начальной рабочей точки на ВАХ, тем больше коэффициент усиления каскада. Но в тоже время, к.п.д. снижается, так как возрастают так называемые «токи покоя» транзистора. Энергия от протекания данных токов тратится на нагрев p-n-переходов транзистора и его корпуса.

Рассмотрим простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Схема каскада представлена на рис. 1. Схема включает три элемента: R_Б, R_К и VT1. Резисторы R_Б иR_Кформируют от источника питания Е_К соответствующие смещения на переходах транзистора. Конденсаторы С₁ и С₂выполняют роль разделительных элементов, разделяют цепи по постоянному току. С₁ исключает попадание постоянного тока на базу транзистора VT1 от источника входного сигнала. С₂ исключает передачу постоянного тока с коллектора транзистора на выход усилительного каскада.

Рис. 1

В отсутствие напряжения усиливаемого сигнала U_ВХ и при подаче напряжения Е_К в цепях транзистора протекают постоянные токи: во входной цепи − начальный ток базы −I_ОБ; в выходной цепи начальный ток коллектора – I_ОК (индекс «0» означает режим по постоянному току, «режим покоя»). На электродах транзистора устанавливаются соответствующие напряжения:U_БЭО – напряжение смещения на эмиттерном переходе; U_КЭО − напряжение на коллекторе, определяемое напряжением Е_К и резисторомR_К

U_КЭО = Е_К −I_ОКR_К.

Эти значения токов и напряжений определяют положение рабочих точек на статических характеристиках (точки А и А^’, рис. 2), которые называют начальными рабочими точками.

Рис. 2

Если на вход усилителя подаётся входной сигнал U_ВХm,например, синусоидальной формы U_ВХm=Usin(t), то он алгебраически суммируется с постоянным напряжением начального смещенияU_БЭОна эмиттерном переходе и рабочая точка А будет перемещается по входной ВАХ. Синхронно будет перемещаться по выходной ВАХ начальная рабочая точка А^’.

В цепи «Е_К – коллекторный переход» будет протекать постоянный пульсирующий ток, состоящий из постоянной составляющейI_ОК и переменнойI_Кm. Переменная составляющая создаёт на резистореR_К падение напряжения, амплитуда которого U_RКmравна амплитуде выходного сигнала U_ВЫХm. При больших значениях сопротивленияR_К и напряжения питания Е_К амплитуда выходного сигнала U_ВЫХmзначительно больше амплитуды входного сигнала U_ВХm.

Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от функционального назначения усилителя и выбранного режима покоя каскада различают четыре основных режима работы усилителей.

Режим А— режим работы активного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирается так, что амплитуда переменной составляющей выходного токаI_m в режимеAне может превышать ток покояI₀.

Достоинством режима Aявляется то, что при нем возникают малые нелинейные искажения. Однако КПД каскада=<0,5. РежимAиспользуют в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

Режим В— это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение примерно половины периода входного сигнала. Половину угла, соответствующего моменту прекращения тока через активный элемент, называют углом отсечки. При идеальном режимеB угол= 0,5. Ток через активный элемент протекает в течение промежутка времени 2. В отсутствие входного сигнала ток равен нулю. Из-за нелинейности начальных участков характеристик активных приборов форма выходного тока при малых его значениях существенно отличается от формы тока, которая был бы линейным. Это вызывает значительные нелинейные искажения выходного сигнала.

РежимBобычно используют в двухтактных выходных каскадах, имеющих высокий КПД, однако, в чистом виде его применяют сравнительно редко.

Чаще в качестве рабочего режима выбирают промежуточный режим AB. В режимеABугол отсечкинесколько больше 0,5, и при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает ток, равный 5 – 15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Такой выбор статического режима позволяет уменьшить нелинейные искажения при применении двухтактных выходных каскадов.

Режим С— это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, то есть при < 0,5.

Начальное смещение соответствует режиму отсечки. Ток покоя в режиме C равен нулю. Режим характеризуется высоким КПД и используется в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.

Режим D(режим ключевого усиления) — это режим, при котором активный прибор находится только в двух состояниях: или полностью заперт, или полностью открыт.

Транзистор используется в качестве бесконтактного электронного ключа. Рабочими режимами становятся режим отсечки (ток прекращен, напряжение на ключе максимально, ключ выключен) и режим насыщения (ток максимален, напряжение определяется насыще­нием, ключ включен). Оба режима имеют минимальные энергетические потери в ключе. Выход в активный режим обусловливается переходом транзистора из открытого состояния в закрытое и наоборот. Этот режим используется для построения мощных импульсных усилителей.

1. Схемы смещения и стабилизации точки покоя

1. Схема с постоянным током базы.

2. Схема с отрицательной обратной связью по току.

В этой схеме положение точки покоя и коэффициент нестабильности зависят отR_КиR₁, то есть, задаваяS, изменяется положение точки покоя. В этом — недостаток схемы и ее ограниченное применение. Через сопротивлениеR₁осуществляется обратная связь по полезному переменному сигналу.

3. Схема с отрицательной обратной связью по напряжению.

В этой схеме положение точки покоя и коэффициент нестабильности можно менять, независимо друг от друга. В этом — достоинство схемы. Коэффициент нестабильностиSможно сделать точно равным 1. ЧерезR_Эосуществляется отрицательная обратная связь по полезному сигналу. Для ее исключения сопротивлениеR_Эшунтируют конденсатором достаточно большой емкости на низких частотах.