Работа усилительных элементов в каскаде

Стабилизация положения точки покоя в транзисторных каскадах

Нестабилизированные схемы смещения

Электропитание усилительных элементов

Работа усилительных элементов в каскаде

План (логика) изложения матери

Лекция 4

Литература

1 Гольцев В.Р., Богун В.Д.Диленко В.И. Электронные
усилители. М.: Стандарты, 1990. с.21...31.

2 Цыкина А.В. Электронные усилители.-М.: Радио исвязь,198 с. 30...44.

3 Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок.-М.:
1979.с.36...52

4 Колонтаевский Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та
мікросхематехніка: теорія i практикум.- К.: Каравелла,2003.
с.90...94.

5 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.-;-е

изд. перераб.и доп. – К.: Вища школа, 1989.- 423с. 269 -283.

Экспресс - проверка знаний пройденного материала:

1 Нарисовать простейшие схемы снятия обратной связи

2 Нарисовать простейшие схемы подачи обратной связи на вход усилителя

3 Нарисовать структурную схему усилителя с обратной частотно зависимой

обратной связью и её характеристики

4 Нарисовать схему к определению коэффициента усиления при обратной связи по

напряжению

5 Написать ключевые слова к теме 3

После изучения лекции 4 студент должен знать: электропитания выходной цепи усилительного элемента, подачу напряжения смещения на входе транзистора, режим работы усилительного элемента и стабилизацию рабочей точки транзистора.

Уметь: нарисовать схемы электропитания выходной цепи усилительного элемента, нарисовать схемы с напряжением смещения, нарисовать схемы стабилизации положения точки покоя в транзисторных каскадах.

1.3.1 Электропитание усилительных элементов

Электропитание усилительных элементов в усилительных каска­дах осуществляется от источников первичного электропитания (хими­ческие источники тока) или от источников вторичного электропитания (выпрямителей).

Цепи электропитания должны обеспечить: заданный режим рабо­ты усилительного элемента по постоянному току; стабилизацию режи­ма работы усилительного элемента, т.е. уменьшить воздействие де­стабилизирующих факторов.

На электроды усилительного элемента надо подавать два напря­жения: постоянное напряжение на выходной электрод и постоян­ное напряжение

(смещение) на управляющий электрод.

Электропитание выходной цепи усилительного элемента. Постоянное напряжение на коллектор биполярного транзистора и на исток полевого транзистора можно подавать двумя способами: пос­ледовательно и параллельно с нагрузкой.

Последовательная схема питания выходной цепи усилительного элемента приведена на рисунке 1.18,а. В этой схеме постоянная составляющая тока

выходной цепи I_ко протекает от положительного полюса источника электропитаний Е_к через транзистор (эмиттер – база - коллектор), резистор нагрузки R_н к отрицательному полюсу Е_к. В дальнейшем направление протекания токов будем показывать в следую­щем в виде +Е_к —>(э-б-к)VТ—>R_н— -Е_к. Протекая через резистор R_н, ток I_ко создаёт на нём падение напряжения Iко·Rн.

Напряжение на коллекторе транзистора составляет разность между напряжением источника электропитания Е_к и падением напряже­ния на нагрузке I_коR_н, т.е

U_кэо= Е_к – (I_кo·R_н), (1.34)

Падение напряжение на нагрузке по постоянной составляющей коллекторного тока I_ко является бесполезной потерей напряжения источника электропитания.

Переменная составляющая выходного тока I_к~ в последователь­ной схеме протекает по цепи: эмиттер – коллектор транзистора через нагрузку, источник питания к эмиттеру.

а) б)

а- последовательная;

б-параллельная

Рисунок 1.18- Принципиальные схемы электропитания выходной

цепи усилительного элемента

Параллельная схема питания выходной цепи усилительного элемента приведена на рисунке 1.18.б. В этой схеме цепи постоянной и переменной составляющих выходного тока разделены. Постоянная составляющая I_ко протекает по цепи: +E_к→(э-б-к)VT→L_др→-Е_к. Переменная составляющая коллекторного тока

I_к~ протекает по цепи: (к-VT)→C_p→R_н→(э-VT).

Конденсатор С_р не допускает протекания постоянной составля­ющей коллекторного тока I_ко через нагрузку, но пропускает переменную

составляющую I_к, оказывая ей незначительное сопротивление.

Дроссель L_др не допускает протекания переменной составля­ющей через источник электропитания Е_к, а постоянной составляю­щей оказывает не значительное сопротивление.

В результате такого разделения токов I_ко и I_к не происходит потерь постоянного напряжения на резисторе нагрузки, а переменная составляющая не протекает в цепи электропитания Е_к. Это является преимуществом параллельной схемы по сравнению с последователь­ной. Но наличие дополнительных деталей - разделительного конден­сатора С_р и блокировочного дросселя L_др - усложняет схему, что является недостатком параллельной схемы.

Напряжение смещения. При выбранном значении постоянного напряжения в выходной цепи усилительного элемента требуемое значение выходного тока в исходном режиме получают путём пода­чи на управляющий электрод определенного значения постоянного напряжения, называемого напряжением смещением,так как оно сме­щает рабочую точку покоя в заданный участок усили­тельного элемента.

Значение и полярность напряжения смещения зависит от типа усилительного элемента. Например, у биполярных транзисторов типа р-п-р напряжением смещения на базе должно быть отрицательным относительно эмиттера, у транзисторов типа п-р-п - положительным. Его значение составляет обычно порядка 0,1... 0.5 В для германиевых и для кремниевых 0,5...1.0 В.

Режим работы усилительного элемента - это состояние усили­тельного элемента, которое характеризует значениями токов в его це­пях при подачи на его электроды напряжений смещения по постоян­ному току от источника электропитания.

В зависимости от положения исходной рабочей точки на вольт-амперной характеристики усилительного элемента и от того, какой участок этой характеристики используются для работы, различают режимы усиления классов А, АВ, В, С и D.

Режим класса А. В режиме класса А исходную рабочую точку устанавливают на середине прямолинейного участка характеристики, как показано на рисунке 1.19,а (точка А), амплитуда входного сигнала выбирается такой, чтобы максимальной отклонение рабочей точки, вызываемые действием входного сигнала, не оказались за пределами этого участка.

Достоинством режима являются малые нелинейные искажения входного сигнала, поскольку усилительный элемент работает в преде­лах почти прямолинейного участка характеристики. В результате форма выходного сигнала почти не отличается от формы входного сигнала.

Недостатком режима класса А является низкий КПД выходной
цепи, который составляет:

η = Р_~/Р_о < 0,5, (1.35)

где: Р _~— полезная выходная мощность сигнала;

Р_о - мощность расходуемая источника электропитания

выходной цепи.

Причиной низкого КПД выходной цепи каскада в режиме класса А

а) б)

Рисунок 1.19 - Выходные динамические характеристики усилителя в режимах

А (а) и В, С (б).

является то, что постоянная составляющая выходного тока имеет большое значение и протекает все время - как при сигнале, так и без него.

Размах напряжения выходного сигнала усилителя класса А ограничен величиной, несколько меньшей напряжения источника питания. Поскольку выходное напряжение включает положительную и отрицательную полуволну, то его амплитуда должна быть меньше половины питающего напряжения. Например, напряжение питания усилителя равно Е=20 В, и его рабочая точка на характеристики смещена так, что при отсутствии входного сигнала потенциал коллектора равен половине питающего напряжения, или 10 В. В этом случае размах выходного напряжения не может быть больше, чем ±10 В. Если нелинейные искажения нужно свести к минимуму, выходное напряжение не должно выходить за пределы ±5 В. с тем, чтобы транзистор оставался на линейном участке передаточной характеристики.

Из-за низкого КПД режим класса А применяют в основном для усиления напряжения в маломощных каскадах: предварительного усиления и оконечных каскадах малой мощности..

Режим класса В. Режимом класса В называют такой режим работы усилительного элемента, при котором от источника электро­питания в

выходной цепи протекает за время, равное примерно половине периода сигнала.

В режиме класса В точку покоя выбирается в режиме отсечки: её положение приблизительно соответствует точки В (рисунок 1.19.б).

Если усилительный каскад класса В включает лишь один транзистор, нелинейные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирующий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную половину входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для воссоздания на выходе сигнала, полностью сходного по форме с входным сигналом, можно использовать два транзистора (по одному на каждую полуволну входного сигнала), комбинируя их по так называемой двухтактной схеме.

Амплитуда выходного напряжения усилителя класса В равна двойной амплитуде выходного напряжения усилителя класса А. Таким образом, двухтактный транзисторный каскад в режиме класса В позволяет получит выходное напряжение, вдвое больше, чем в режиме класса А.

Класс В является наиболее экономичным для усилителя низкой частоты, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток.

Из рассмотренных свойств двухтактного каскада класса В следует, что такие усилители целесообразнее использовать для усиления мощности, а не напряжения.

Нелинейные искажения можно уменьшить, если вместо режима класса В использовать класс АВ.

Режим класса АВ является промежуточным. Исходная рабочая точка в

данном режиме устанавливается на характеристике в облас­ти отсечки, но ближе к активной области. Угол отсечки при этом оказывается несколько больше 90°. Применяют этот режим только в двухтактных усилителях.

Класс АВ менее экономичен, чем класс В, так как потребляется больший ток от источника питания. Обычно, класс АВ используют лишь в двухтактных схемах.

Режим класса С. Режимом класса С называется такой режим
работы усилителя, при котором ток в выходной цепи усилительно­-
го элемента протекает за время, составляющее меньше половины пе­риода сигнала.

Исходная рабочая точка в режиме класса С устанавливается правее динамической нагрузочной характеристики. Угол отсечки при этом получается меньше 90°. При отсутствии сигнала ток от источни­ка электропитания в режиме класса С не протекает и КПД выход­ной цепи получается выше, чем в режиме класса В, η =0,85. Но не­линейные искажения оказываются недопустимо большими. Поэтому режим класса С используется только в резонансных усилителях.

Режим класса D. Режимом класса D (или ключевым) называет­ся такой режим, при котором усилительный элемент либо полностью открыт, и тогда через него протекает максимальный ток, либо пол­ностью закрыт, и тогда ток через него не протекает.

В этом режиме потери энергии внутри усилительного элемента очень малый и

КПД большой (близко к единицы).

Режим данный применяется для усиления импульсных сигналов в ЭВМ, а также в устройствах управления и регулирования. Иногда его используют в усилителях очень большой мощности.

Положение точки покоя на входных и выходных характеристи­ках выбирается так, чтобы получить наибольший неискаженный сигнал и не превысить предельные режимы транзистора. Для мощных каскадов особенно важно, чтобы мощность, выделяемая на коллекторе, ни в паузе, ни при усилении сигнала не превышала предельного значе­ния Р_к.пред.

При отклонении от выбранного режима (вследствие изменения температуры, замены транзисторов, изменения параметров с течением времени, изменения питающих напряжений) может значительно уве­личить нелинейные искажения, уменьшить усиление, увеличиться вы­деляемая в транзисторе мощность. Последнее может вызвать перегрев транзистора и выход его из строя. Поэтому цепи электропитания должны обеспечить не только выбранный по характеристики исход­ный режим, но и стабильность положения точки покоя на коллекто­рных характеристиках, иначе говоря, сохранение неизменным тока коллектора Iко в процессе работы устройства.

Положение точки покоя на коллекторной динамической характе­ристике определяется величиной тока базы Iбо (или напряжения Uбо) поэтому исходный режим выходной цепи зависит от режима входной цепи, задаваемого смешением. Для схем ОЭ и ОК - это напряжение смещения между базой и эмиттером Uбэо или ток смещений Iбо.

Смещение необходимо для того, чтобы на эмиттерном переходе создавалось начальное прямое напряже­ние, под действием которого происходит инжекция из эмиттера в базу не основных для неё носителей заряда (дырок в транзисторе р-п-р и электронов в п-р-п) и по­является ток коллектора. Без смещения транзистор зак­рыт, так как в его выходной цепи под действием напря­жения коллектора протекает только очень малый обратный ток коллектора перехода I_к.обр. При подаче сигнала на транзистор, работающий без смещения, усиливается только одна полуволна, и полпериода транзистор ос­таётся закрытым.

В практических схемах для создания смещения используется не отдельный источник Е_б, а источник электропитания коллекторной це­пи Е_к.

Существует много способов создания смещения. Принципиально различают два вида смещения:

- нестабилизированные (фиксированные), которые только определя­ют исходное положение рабочей точки, т.е. устанавливают, но не
стабилизируют в процессе работы;

- стабилизированные (автоматические), устанавливающие исход­ное положение рабочей точки и удерживающие её в допусти­мых пределах.