2. Режимы работы усилительного каскада

Для того чтобы форма сигнала на выходе усилителя совпадала с формой входного сигнала, зависимость между ними должна быть линейной. Поскольку транзистор является нелинейным элементом, возможны искажения сигнала. Наличие искажений зависит как от амплитуды входного сигнала, так и от выбора положения начальной рабочей точки. Выбор положения начальной рабочей точки влияет также и на КПД усилителя, т.к. в момент отсутствия сигнала вся энергия источника питания идет на нагрев p-nпереходов.

В зависимости от положения начальной рабочей точки на характеристике и амплитуды входного сигнала различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В, C.

Режимы работы усилительных каскадов принято рассматривать при воздействии синусоидального сигнала. Количественно режим работы характеризуют углом отсечки − половиной той части периода синусоидального сигнала, в течение которого через выходную цепь транзистора протекает токI_Кm.

Для иллюстрации режимов работы используют составную ВАХ, которая называется проходной характеристикой .

Режим А.В данном режиме начальная рабочая точка А выбирается примерно в середине линейной части проходной характеристики , а амплитуда входного сигнала U_ВХmтакова, что ток в цепи коллектора протекает в течение всего периода синусоидального сигнала. В этом случае угол отсечки= 180^О.

Аi _{вых m}

i_ок

U_бэ t

U_об  =

E_К

Транзистор работает в активном режиме. Из-за большого тока покоя КПД в этом режиме меньше 50%.

В режиме А транзисторный усилитель работает почти без искажений. Этот режим обычно используется в каскадах предварительного усиления.

Режим В.

Начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики.

Iк i к

A

Uбэ

Uc  =

Ес

t

Ток коллектора протекает лишь в течение положительного полупериода входного сигнала. В течение другого полупериода транзистор находится в режиме отсечки. Угол отсечки равен = 90. КПД каскада в этом режиме значительно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал (до 80%). Однако усиливается только один период. Для усиления сигнала в течение всего периода используют двухтактные схемы, когда одно плечо работает в положительный полупериод, а другой – в отрицательный. В режиме В работают каскады мощного усиления.

Режим С.

В этом режиме начальная точка А распологается левее начальной точки проходной характеристики. Угол менее 90. В отсутствии сигнала ток через транзистор не протекает – элемент полностью “заперт”.

При подаче сигнала коллекторный ток протекает в течение времени, меньшем положительного полупериода входного сигнала. КПД выше чем в режиме В.

Iк i к

А

UобUбэ

 <

Используются в специальных мощных резенансных усилителях.

Режим D– ключевой режим (режим работы инвертора).

Для усилителей такой режим используется только для усиления прямоугольных сигналов.

3. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Положение начальной рабочей точки определяется полярностью и значением напряжения смещения на электродах транзистора. Существует две основные схемы, которые позволяют осуществить подачу смещения от источников питания. Такие схемы называются схемами смещения фиксированным током или фиксированным напряжением.

Схема смещения фиксированным током

RбRк

Iоб Iок

Ес IоэUокRн Uвых

Uоб

В данной схеме база соединена с “+” источника Еп через резистор RБ . В режиме покоя напряжение смещения на базеUОБ = ЕП -IОБRБ., где токIОБ определяют по входной статической характеристике транзистора, исходя из требуемого положения начальной рабочей точки, которая задаётся постоянными смещениямиUОБ иUОК (ЕП)UОК = ЕК -IОКRК.

- гасящее сопротивление

Для приближенных расчетов – Uоб можно убрать, т.к.Uоб<< Еп, тогда.

Отсюда следует, что при установленных ЕпиRб, ток базыостанется тем же при замене транзистора или при изменение температуры.

Схема смещения фиксированным напряжением

+ ЕпRк

Iок

Iоб

Ес

Uоб Iоэ Uок Uвых

Напряжение смещения создаётся делителем напряжения с резисторами и, через которые протекают токи делителяи. Из выражений=UОБ определяются сопротивления делителя:

и

При расчетах схемы резисторы ивыбирают такими, чтобы токиипротекающие через них были в три – пять раз больше токаIОБ. В этом случае изменение тока базыIОБ не вызывает ощутимого изменения напряжения смещения базы.

всегда значительно больше.

4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Основные свойства усилительного каскада определяются положением начальной рабочей точки, которое задаёт ток покоя выходной цепи. Поэтому при изменении температуры , замене транзистора положение начальной рабочей точки не должно изменяться. Если же активным элементом является биполярный транзистор, то изменение температурыили замена активного элемента могут повлиять на значение коэффициента усиления и значение теплового обратного тока. Для обеспечении стабильности усилительного каскада при увеличении температурыв режиме А , используют схемы стабилизации положении рабочей точки.

1. Эммитерная стабилизация

+Еп

Rк

IокIкбо

IобUок

ЕсUвых

Стабилизация осуществляется введением в схему последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. Напряжение ОС снимается с резистора RЭ . Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу

.

С изменением температуры изменится ток покоя коллектора (за счет обратного тока в первую очередь) и следовательно ток покоя эмиттераIОЭ . При повышении температурырабочая точка на характеристике должна подняться вверх, но этого не произойдет, т.к. с увеличениемIОЭ увеличивается падение напряжения наRЭ и следовательно уменьшаетсяUБЭ , что уменьшает ток через эмиттер, т.е. начальная рабочая точка останется на месте.

Для исключения влияния отрицательной ОС по переменному току на коэффициент усиления параллельно резистору RЭ включен конденсатор СЭ.При отсутствии СЭ переменная составляющая эмиттерного тока создаёт на резисторе падение напряженияUЭ=RЭ iЭ , что снижает усиливаемое напряжение, т.к.UБЭ=UВХ-RЭ iЭ, а следовательно и коэффициент усиления. Чтобы переменная составляющая на всех частотах усиливаемого напряжения не проходила через резистор ёмкость конденсатора СЭ должна быть большой, при этом ёмкостное сопротивление.

2. Коллекторная стабилизация (для схем с фиксированным током)

Iоб+Iок +Еп

Rк

IобRб

UобUок

Iоэ

В схеме реализована параллельная ООС ( резистор RБ).

т.к. UОБ мало, тоRБ IОБ ЕП-RК(IОБ+IОК), откуда следует, что с повышением температуры и, следовательно, с увеличениемIОК понижаетсяRБIОБ, т.е. понижаетсяIОБ, а это вызывает понижениеIОК.