Лекция 10

Лекция 10.

Режимы работы усилительного элемента.

Режим работы усилительного элемента характеризуется его рабочей точкой. Под рабочей точкой понимают совокупность постоянных токов и напряжений на выводах активного элемента при отсутствии переменного сигнала. Положение рабочей точки определяется:

а. Назначением усилителя;

б. Полярностью сигнала;

в. Диапазоном его усиления.

В зависимости от величины входного сигнала рабочую точку выбирают следующим образом:

1.При малых входных сигналах (когда U_кэт<<Eк\2) рабочую точку выбирают из условия получения от транзистора _мах, f_max – максимального  и максимального диапазона усиливаемых частот. Чаще всего за рабочую точку принимают токи и напряжения указанные в справочниках как номинальные. Для маломощных транзисторов ток коллектора:

2.При больших входных сигналах, когда U_кэт соизмеримо с Е_к\2, рабочую точку выбирают, исходя из получения минимальных нелинейных искажений и максимального КПД. Величинами  и f здесь пренебрегают. Положение рабочей точки выбирают по статическим ВАХ транзистора. В зависимости от выбора рабочей точки различают следующие классы усилителей:

1.А

2.В

3.АВ

4.С

5.D

1 ) В усилителях класса А рабочая точка выбирается на середине линейной части его передаточной характеристики.

Режим класса А характеризуется:

• Минимальным коэффициентом нелинейных искажений;

• Малым КПД.

2) В усилителях класса В рабочую точку выбирают при U_{отсечки}.

Режим класса В характеризуется:

• Большим коэффициентом нелинейных искажений;

• Большим КПД.

3). В усилителях класса АВ рабочая точка выбирается на начале линейного участка.

4). В усилителях класса С рабочая точка выбирается за U_{отсечки}. Поэтому режим используется в резонансных усилителях мощности.

5). Режим класса D характеризуется тем, что усилительный элемент работает в ключевом режиме. Он либо находится в состоянии отсечки, либо насыщен.

Усилительный каскад на БТ.

Биполярный транзистор в усилителе работает в 2-х режимах: в статическом и динамическом.

В статическом, выходное напряжение постоянно, а динамическое изменяется.

Динамические режимы используются для усиления сигнала как по напряжению так и по току.

R_к – служит для преобразования тока в напряжение.

U_кэ = E_к – J_кR_к = E_к – J_кртR_к – J_кmR_к = U_кэрт – U_кэm

“–” – означает что входной и выходной сигналы в противофазе.

При большом входном сигнале:

Методы обеспечения режима работы активного элемента и его стабилизация.

Для задания рабочей точки активного элемента биполярного транзистора необходимо между его выводами обеспечить определенные напряжения. Для того, чтобы биполярный транзистор находился в активном (в усилительном) режиме, необходимо чтобы коллекторный переход был смещен в обратном направлении, а эмитерный переход в прямом. Для задания рабочей точки можно использовать несимметрию источников ЭДС, но чаще обходятся одним. Решим несколько основных схем:

1. Схема с фиксированным током базы.

Решим усилительный каскад на биполярном n-p-n транзисторе:

Полярность Е_п должна быть выбрана положительной для смещения в обратном направлении. Для смещения эмитерного перехода в прямом направлении достаточно вывод базы подключить через резистор R_б к Е_п.

Е_п – _­питающее напряжение.

R_к­ – сопротивление коллекторной цепи.

R_б – сопротивление цепи базы, оно задает J_б.рт.

Если рабочая точка известна, то R_б рассчитывается из следующего соотношения:

Для этой схемы

J_к.рт=J_б.рт;

U_кэ.рт=Е_п-J_к.ртR_k;

Главное достоинство этой схемы перед остальными – ее простота, т.к. она содержит минимальное количество элементов. Эта схема имеет два существенных недостатка:

1.Сильная зависимость от температуры в положении рабочей точки.

На положение рабочей точки сказываются два фактора:

- От температуры сильно зависит J_k0 (тепловой ток коллекторного перехода). С увеличением температуры возрастает тепловой ток.

• U_бэ.рт – с увеличением температуры U_бэ.рт уменьшается вследствие смещения входной характеристики влево.

Оба эти фактора приводят к тому, что с возрастанием температуры U_кэ.рт уменьшается.

2.Положение рабочей точки зависит от конкретного экземпляра транзистора и связано с большим технологическим разбросом параметра .

2. Схема с резистивным делителем в цепи базы.

R_б1, R_б2 – резистивный делитель цепи базы, с помощью него задается необходимая величина U_бэ.рт. (Он делит напряжение и получает необходимое напряжение). Для того, чтобы на положение рабочей точки температура влияла слабо J_B>>J_б.рт (J_B – ток делителя)

Основным фактором влияющим на температурную нестабильность рабочей точки является J_k0. В этой схеме с повышением температуры окружающей среды J_k0 возрастает, а U_кэ.рт уменьшается (поэтому происходит влияние на выходное напряжение). Элементы этой схемы рассчитывают следующим образом:

1.)J_D – выбирают в 5-10 раз больше J_Б.РТ.

2.)

3.)

3. Схема с эмитерной стабилизацией.

R_Э – сопротивление эмитерной цепи, с его помощью создается отрицательная обратная связь, которая стабилизирует положение рабочей точки. С возрастанием температуры окружающей среды J_К.РТ возрастает, это приводит к тому, что U_КЭ.РТ уменьшается. Так происходило бы, если бы не было R_Э, а с R_Э с возрастанием температуры J_К.РТ возрастает (U_К.РТ должно бы уменьшаться, но) J_Э.РТJ_К.РТ;

U_RЭ возрастает, U_БЭ.РТ=(U_Б1-U_RЭ) уменьшается;

Уменьшение этого напряжения эквивалентно уменьшению J_Б.РТ; это приводит к тому, что J_k0 уменьшается, U_КЭ.РТ=const.

C_Э – конденсатор эмитерной цепи – устраняет обратную отрицательную связь по переменному сигналу в рабочем диапазоне частот. Его величина выбирается из условия:

_Н – нижняя граница диапазона частот;

Схема включения полевого транзистора в усилительном каскаде.

Решим схему на примере n-канального транзистора с управляющим p-n-p переходом:

При рисовании схемы но полевом транзисторе нужно помнить следующее:

1).Полярность питающего напряжения выбирается так, чтобы основные носители канала двигались к стоку.

2).Для управления выходным током, напряжение, подаваемое на затвор n-канального транзистора с управляющим p-n-p переходом, должно быть отрицательным, т.е. переход должен быть смещен в обратном направлении.

U_U.РТ=J_С.РТR_U;

C_p – конденсатор разделительный (разделяют, закрывают резистор).