Лекция №4 Обеспечение и стабилизация режима работы усилительного элемента по постоянному току.

4.1. Режим работы усилительного элемента.

Различают активный и ключевой режимы работы усилительного элемента (УЭ). Активный режим используется в АЭУ и соответствует определенному постоянному напряжению или току на управляющем электроде. Это постоянное напряжение называется смещением.

Режим работы УЭ при отсутствии сигнала на его входе называют режимом по постоянному току. В некоторых учебниках этот режим называют статическим или режимом покоя. В этом случае в цепях УЭ протекают только постоянные составляющие токов, определяемые рабочей точкой или точкой покоя. Рабочая точка соответсвует заданному смещению.

При наличии U_вх входного сигнала в цепях УЭ появляются переменные составляющие токов и напряжений, что соответствует режиму по переменному току. Последний различается на режим слабого сигнала (предварительные каскады), когда входной сигнал мал, и режим сильного сигнала (выходной каскад), когда на входе большая амплитуда усиливаемого сигнала.

Режим сильного сигнала в свою очередь подразделяется на режимы А, В, АВ и С.

В режиме А рабочая точка выбирается на середине линейного участка проходной характеристики. При этом ток выходной цепи протекает без отсечки (рис.4.1., а). Ток покоя I₀ превышает амплитуду выходного тока I_твых.

Рис.4.1. Работа усилительного элемента:

а – в режиме А; б – в режиме В

Преимуществом режима А является малый коэффициент нелиней­ных искажений, так как рабочая область характеристики располагается на линейном участке. Недостатком режима А является большой ток , т. е. большое потребление энергии от источника питания, что опре­деляет незначительный коэффициент полезного действия.η=P_вых/P_{0 ,} где P₀=EI₀ - потребляемая мощность

В режиме В рабочая точка выбирается на изгибе проходной характеристики. Ток в выходной цепи существует в течение половины периода, т.е. в режиме В имеет место отсечка выходного тока (рис.4.1., б).

При идеальном режиме В угол отсечки 90. Ток покоя близок к нулю. Однако в действительности из-за нелинейной характе­ристики транзистора I_о оказывается равным 8–10% I_max. Угол отсечки нес­колько превышает 90°. Преимуществом режима В является высокий кпд, недостатком - большой коэффициент нелинейных искажений. Режим В при­меняется в усилителях мощности по двухтактной или симметричной схеме.

Режим С характеризуется углом отсечки меньше 90° , еще большим кпд. Он используется в радиопередающих устройствах.

Ключевым режимом или режимом Д называют такой режим работы усилительного элемента, при котором он во время работы находится только в двух состояниях: в полностью закрытом, когда ток в его выходной цепи отсутствует, или полностью открытом, когда падение напряжения между выходными электродами близко к нулю. В режиме Д можно получить высокий КПД. Ключевой режим применяется в импульсных и цифровых устройствах.

4.2. Цепи подачи смещения.

Подача смещения может быть реализована с помощью дополнительного источника питания E_см. Этот способ практически не используется, так как применение двух источников питания нерационально.

В каскадах на электронных лампах и полевых транзисторах используется способ автоматического смещения (см. рис.3.1., 3.3). Элементами автоматического смещения в этих схемах являются R_к и R_и. По переменной составляющей эти резисторы зашунтированы С_к и С_и. Следовательно, на этих резисторах происходит падение напряжения U_см=I_а0R_н=I_coR_н. Падение напряжения на R₁ отсутствует, так как ток, протекающий по этой цепи равен нулю.

Рассмотрим способы подачи смещения в каскадах на биполярных транзисторах. Для установления необходимого рабочего режима на базу р-n-р транзистора относительно эмиттера нужно подать небольшое отрицательное смещение (0,05-0,5 В). Это смещение желательно получить от источника E_к, чтобы исключить второй источник питания.

Первый способ подачи смещения фиксиро­ванным током базы при помощи гасящего сопротивления R1 показан на рис.4.2,а. R1 и образуют делитель напряжения, причемR1>>r_эб. Следовательно, ток смещения в цепи базы определяет­ся только номиналомR1

I_б0=Е_к/R1

Этот постоянный ток является смещением. Если смещение необходимо выразить напряжением, то оно определяется как па­дение напряжения U_см=I_боr_эб.

Рис.4.2. Схемы подачи смещения: а – фиксированным током; б – фиксированным напряжением.

Схема проста (мало элементов), однако имеет следующий недос­таток: при смене транзистора требуется индивидуальный подбор R1. Кроме того, изменение обратного тока сильно влияет на режим работы.

Смещение фиксированным напряжением (рис.4.2,б) достигается с помощью делителя R1R2. Для того, чтобы было постоянным и оп­ределялось только падением напряжения наR2, делитель R1R2 дол­жен быть низкоомным, т.е. R2<<r_эб.

В этом случае изменение при замене транзисторов почти не влияет на общее сопротивление, так как параллельное соединение определяется наименьшим сопротивлениемR2. Следовательно, напряжение смещения определяется , где ток делителяI_д =Е/(R1 + R2).

Сопротивления R1 и R2 в такой схеме можно рассчитать по следующим формулам:

Этот способ не экономичен, однако находит широкое применение, так как остается постоянным при замене транзистора и измене­нии температуры.