11.2. Анализ работы транзисторного усилителя. Понятие о классах усиления усилительных каскадов.

Простейший усилитель, выполненный на биполярном транзисторе, был рассмотрен ранее в гл. 10 (см. рис. 10.6). Для анализа усилителей, представляющих собой нелинейные цепи, содержащие управляемые нелинейные элементы (транзисторы), широко применяют графический метод. Воспользуемся этим методом для анализа усилителя, содержащего биполярный транзистор n-р-n-типа, на входе которого одновременно воздействуют сигналы переменного и постоянного тока. Пусть нагрузкой усилителя будет линейный резистор R_квключенный в цепь коллектора (см. рис. 11.6, а), а на вход усилителя подается переменный сигнал. В этом случае токи, возникающие в транзисторе, состоят из постоянных составляющих, определяемых режимом покоя, и переменных, обусловленных переменным входным электрическим сигналом.

Анализируя работу усилителя, приведенного на рис. 11.6, а, воспользуемся методом линеаризации. При этом учитываем, что по осям ординат ВАХ транзистора откладываются не постоянные значения токов и напряжений (как это имеет место, например, на рис. 11.6, б), а их мгновенные значения.

Линейным участком входной ВАХ транзистора можно считать участок CD (см. рис. 11.5, а), на котором аналитическая зависимость тока базы от входного напряжения u_бэ(представляющего собой сумму напряжения покоя U_бэпи синусоидального напряжения источника сигнала u_c) выражается уравнением прямой

(11.1)

где u_Д0— остаточное напряжение диода;R_вх— входное сопротивление транзистора на участкеCD.

Рис. 11.5. Нагрузочная характеристика усилителя (а), зависимость iк=f(iб) (б), временные диаграммы токов сигнала (в), базы(г), коллектора (д) и коллекторного напряжения (е)

Если рабочие точки (точки пересечения линии нагрузки R_кс соответствующей базовому току выходной вольт-амперной характеристикой транзистора) расположены на линейных участкахBAXтранзистора, то зависимость между выходным коллекторным током и входным базовым током можно считать также линейной (рис. 11.5, 6). Если рабочими участками усилительного каскада являются рассмотренные линейные участки входных и выходных ВАХ, то считают, что транзистор в усилительном каскаде работает в линейном режиме. При этом синусоидальный сигнал, подаваемый на вход усилительного каскада, практически не искажается на его выходе. Действительно, если точку покоя П выбрать на середине отрезка (О_т, Н_с) нагрузочной прямой, то при синусоидально изменяющемся токе сигнала (рис. 11.5, в) можно обеспечить максимальное изменение (от режима насыщения до режима отсечки) переменной составляющей коллекторного тока (увеличенного вβраз) практически без существенного искажения синусоидальной формы. Однако следует подчеркнуть, что на входе транзистора помимо переменной составляющейi_cдействует также постоянная составляющаяi_бп, которые совместно образуют входной ток базыi_б(рис. 11.5, г).

Аналогично, коллекторный ток, повторяющий полностью форму входного сигнала и совпадающий с ним по фазе, имеет также постоянную и переменную составляющие. Как видно из рис. 11.5 и соответствующего выражения (11.1), входное напряжение u_бэизменяется прямо пропорционально изменению входного токаi_б, совпадая с ним по фазе. В то же время выходное напряжение на коллектореu_кэизменяется (как видно из сравнения рис. 11.5, г и 11.5, е) в противофазе с входным токомi_б, т. е. сдвинуто относительно его на 180°, а следовательно,u_кэизменяется в противофазе по отношению к входному напряжениюu_бэ. Таким образом, схема ОЭ является инвертирующим устройством, переворачивающим входной сигнал на 180°. Это свойство схемы ОЭ используется в цифровых электронных схемах. Графический анализ усилительного каскада показывает, что, изменяя положение точки покоя П на нагрузочной прямой и амплитуду входного сигналаu_c(i_c), можно получить на выходе каскада токi_к(напряжениеu_кэ) различной формы. Так, нетрудно убедиться, воспользовавшись рис. 11.5, что перемещение точки П в точку О_т(режим отсечки) приведет к искажению выходного сигнала, поскольку отрицательные полупериоды токаi_cне будут пропускаться каскадом. Однако при этом амплитуда положительных полупериодов входного сигнала может быть увеличена примерно вдвое без искажения его формы на выходе каскада.

Рис. 11.6. Принципиальная схема усилителя с RC-связями на биполярном п-р-п транзисторе (а); схемы цепей постоянного (б) и переменного (в) токовусилителя сRC-связями

На практике широкое распространение для усиления сигналов по напряжению в широком частотном диапазоне нашли усилители с RC-связями. Принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. 11.6, а.

С помощью резисторов R_б1иR_б2, подключенных к постоянному источнику питания цепи и представляющих собой делитель напряжения, обеспечивается необходимое значение токаI_бп, который, в свою очередь, совместно с резисторомR_кобеспечивает соответствующий режим покоя (см. рис. 11.5, а).

Вид цепи, соответствующий режиму покоя, приведен на рис. 11.6, б. Как видно из рис. 11.5, а, изменяя значение сопротивления R_к, а следовательно, и угол наклона его ВАХ, можно менять амплитуду усиленного сигнала на выходе усилителя, что соответствует изменению его коэффициента усиления. Усилитель, как видно из рис. 11.6, а, снабжен двумя разделительными конденсаторами:C_p1иC_p2.

Первый из них C_p1не допускает появления постоянной составляющей тока транзистора в цепи источника сигнала, подключаемого к входу усилителя, а второйC_p2— обеспечивает прохождение в нагрузочное устройство с сопротивлениемR_нтолько переменной составляющей усиленного сигнала.

Схема цепи переменного тока, соответствующая усилительному каскаду, приведена на рис. 11.6, в. Отсутствие в ней эмиттерного резистора объясняется наличием шунтирующего его конденсатора большой емкости C_Э. Сам конденсаторC_Эна схеме также не показан, так как его сопротивление переменному току близко нулю

Величина результирующего сопротивления нагрузочного устройства в цепи переменного тока равна

Рис. 11.7. Диаграммы работы в классах усиления А (а) и В (б)

Понятие о классах усиления усилительных каскадов. Класс усиления Аимеет место при выборе точки покоя П в средней части нагрузочной характеристики выходной цепи транзистора (рис. 11.7, а). Этот режим характерен тем, что форма выходного сигнала повторяет форму входного сигнала за счет работы транзистора в активной области без захода в области насыщения и отсечки. При этом транзистор, как видно из рисунка, работает в линейной области, что объясняет минимальное искажение усиливаемого сигнала. В то же время работа усилителя в классе А характеризуется низким кпд, равным примерно 0,5, что объясняется присутствием в коллекторной цепи постоянного тока покоя (вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала) в результате чего в транзисторе рассеивается мощность

В связи с этим режим усиления А используют лишь в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых, как правило, важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение кпд не играет решающей роли.

Класс усиления Вимеет место при смещении точки покоя П в нижний участок линии нагрузки, как показано на рис. 11.7, 6

. Это способствует предельному снижению тока I_Kп, обусловливая существенное улучшение энергетических показателей каскада за счет значительного (по сравнению с режимом класса А) снижения мощности, рассеиваемой в транзисторе в режиме покоя. Поэтому класс В используется в усилителях средней и большой мощности. Вот почему все выходные усилители работают в режиме класса В. В этом режиме значение кпд каскада можно довести до 0,7 и более (при мощности, рассеиваемой в транзисторе менее 0,25 от максимума полезной мощности в нагрузочном устройстве). Заметим, что при усилении в классе А максимальное значение кпд не может превышать 0,5, так как половина максимальной полезной мощности рассеивается в транзисторе. Вместе с тем в классе В наблюдается усиление лишь одной положительной полуволны усиливаемого сигнала, а потому выходной ток имеет прерывистый характер.

Для усиления как положительной, так и отрицательной полуволны входного сигнала применяют двухтактные усилители, работающие в классе усиления В (рис. 11.8). Здесь при положительной полуволне входного сигнала открыт транзистор VT1n-р-n-типа, а при отрицательной полуволне — транзисторVT2 (р-n-р-типа). В нагрузочное устройство с сопротивлениемR_нпоступает усиленный сигнал обоих полупериодов. Как правило, двухтактные усилители изготовляют в виде интегральной микросхемы, в едином кристалле полупроводника, что позволяет обеспечивать идентичность параметров транзисторовVT1 иVT2.

Рис. 11.8. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности

Разновидностью режима класса В является режим класса АВ. Этот режим характеризуется наличием некоторого начального смещения точки покоя П в активную область. В этом случае

что позволяет совместить достоинства режимов класса А и В: малые нелинейные искажения и высокий кпд.

Режимом класса С называется такой режим работы усилителя, при котором ток в выходной цепи усилителя протекает меньше половины периода действия входного сигнала. Этот режим соответствует расположению точки покоя в области отсечки и находит применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередающих устройствах).

Режимом класса Dили ключевым режимом называют такой режим работы усилителя, при котором ток в выходной цепи может принимать только два значения: I_Kmaxи I_Kmin. Кпд такого усилителя близок к единице, что предопределяет его широкое использование в импульсной и цифровой технике.