ваемая активным элементом, близка к нулю, следовательно, практически вся энергия, потребляемая от источника питания, превращается в энергию полезного сигнала. В результате КПД каскада, работающего в режиме D, стремится к 100 %.

Однако такой режим в чистом виде применяется только в устройствах, в которых допустимо иметь на выходе усиленный импульсный сигнал прямоугольной формы с постоянной амплитудой (примерно равной напряжению источника питания) независимо от амплитуды сигнала на входе. Широкое применение такой режим находит в устройствах вычислительной техники и системах управления.

Для усиления гармонических сигналов произвольной формы и амплитуды предварительно необходимо преобразовать эти сигналы в прямоугольные импульсы с постоянной амплитудой, ширина которых пропорциональна мгновенному значению сигнала. Частота следования импульсов выбирается существенно более высокой, чем наивысшая частота усиливаемого сигнала. Полученные после преобразования сигналы с широтно-импульсной модуляцией усиливаются усилителем класса D с высоким КПД, после чего снова преобразуются в сигнал первоначальной формы. Однако схема такого усилителя оказывается довольно сложной, и в ней затрудняется борьба с нелинейными искажениями, что и ограничивает область применения усилителей класса D.

3.4.Цепи питания активных элементов

3.4.1.Общие положения

Активные элементы могут нормально функционировать только при наличии источника питания, энергия которого с их помощью превращается в энергию полезного сигнала. Цепи питания, связывающие источник энергии с активным элементом, должны удовлетворять следующим требованиям:

а) обеспечить условия для задания необходимой рабочей точки; б) стабилизировать положение рабочей точки в процессе работы.

Необходимость стабилизации рабочей точки диктуется тем, что в процессе эксплуатации на активный элемент действует большое количество дестабилизирующих факторов (изменение состояния окружающей среды, нестабильность источников питания, изменение нагрузки, старение элементов

103

схемы, замена в случае ремонта элементов, потерявших работоспособность, и т.д.). Нестабильность рабочей точки каскада ведет к изменению условий работы всего усилителя, изменению его параметров, появлению искажений, особенно нелинейных. При разработке цепей питания немаловажное значение имеет их простота и экономичность.

Для активных полупроводниковых элементов основным дестабилизирующим фактором является изменение температуры. В основном все усилия по стабилизации рабочей точки направляются на борьбу с этим неприятным явлением.

Для биполярных транзисторов изменение температуры приводит к изменению коэффициента усиления по току h21, изменению обратного тока коллектора IКО и сдвигу входной вольт-амперной характеристики.

При повышении температуры на один градус свыше 25о параметр h21 увеличивается на 0,4 – 0,5 %, а при снижении температуры ниже 25о уменьшается на 0,2 – 0,3 % на каждый градус. Кроме того, замена транзистора может привести к изменению h21 в 2 – 3 раза из-за разброса этой величины, существующего даже для транзисторов одной серии.

Обратный ток коллектора зависит от температуры следующим образом:

значении напряжения на базе U0Б приводит к изменению тока базы, а затем и

104

тока коллектора, связанного с током базы через параметр h21. Сдвиг характеристики ∆U0Б, показанный на рисунке, оценивается следующим выражением [1]:

где (t0MAX − t0MIN ) – перепад температур,

0,06 – величина, учитывающая технологический разброс параметров [1]. Для оценки температурной нестабильности довольно часто используют коэффициент нестабильности S, равный отношению приращения тока коллек-

тора к приращению обратного тока коллектора:

Такой подход не отражает влияния двух других факторов (h21, ∆U0Б) на нестабильность рабочей точки и не позволяет рассчитать элементы схемы для получения заданной нестабильности. В [1] приводится более наглядная методика, позволяющая рассчитать приращение тока коллектора при заданном приращении температуры для различных схем питания. В данном случае реальный транзистор заменяется идеальным (не подверженным влиянию температуры) с генераторами тока и напряжения, включенными в его входную цепь (рис. 3.28) и отражающими температурную нестабильность реального транзистора.

∆U0Б

Генератор напряжения ∆U0Б включен последовательно с входными зажимами транзистора и отражает температурную нестабильность, зависящую от сдвига входной вольт-амперной характеристики. Величина напряжения этого

105

генератора определяется выражением (3.68). Генератор тока ∆I0 отражает температурную зависимость параметров h21 и IKO и определяется следующим выражением:

где ∆h21 – приращение параметра h21 для заданного температурного диапазона, I0K – ток коллектора в рабочей точке,

∆IKO – приращение обратного тока коллектора для заданного диапазона температур, определяется с помощью (3.68).

Сопротивление RБ на рис. 3.28, б является эквивалентом цепи питания, подключенной к базе транзистора, а R2 – сопротивление в цепи коллектора. Параметры h11 и h21 определяются в заданной рабочей точке и при заданной рабочей температуре. Согласно принципу суперпозиции ток ∆IБ, протекающий по входному сопротивлению транзистора h11, состоит из двух составляющих: ∆IБ1 задаётся генератором ∆UБ и ∆IБ2 задаётся генератором ∆I0, т.е. ∆IБ = ∆IБ1+ ∆IБ2, где

Полученное выражение связывает приращение коллекторного тока для температурного диапазона, в котором предварительно были определены приращения параметров ∆IКО, ∆h21 и ∆U0Б. Схема (см. рис. 3.28, б) называется эквивалентной схемой транзистора по дрейфу.

106