3.6. Работа биполярного транзистора в усилительном каскаде.

До момента t₁ на входных клеммах имеется только напряжение смещения, U_вх =0. Поэтому в выходной цепи протекает только постоянная составляющая I_0к. Потенциал коллектора U_к0 определяется выражением U_к0=Е- I_0кR_н. В момент t₁ во входную цепь поданы U_вх(t) и E_cм парралельно, которые показаны на рис. 3.7. (график 1). Потенциональный барьер эмиттерного прямосмещенного перехода будет меняться по закону U_вх(t), что приведет к изменению тока инжекции I_э, следовательно, I_к (график 2).

Если напряжение на эмиттерном переходе уменьшается, то уменьшаются I_э, I_к и наоборот. Таким образом, источник сигнала U_вх(t) небольшой мощности управляет током выходной цепи. В выходную цепь, кроме основного источника питания, включено нагрузочное сопротивление, следовательно, на этом сопротивлении из-за протекания тока будут происходить падения напряжения постоянной U_к0 и переменной U_вых(t) составляющих. В схеме с общим эмиттером U_вых(t) снимается через разделительную емкость С с коллектора, которое равно U_вых(t) =E-i_вых(t)R_н (график 3).

Анализируя графики 1 и 3, приходим к выводу, что усилительный каскад с общим эмиттером меняет фазу усиленного сигнала U_вых(t) на 180^о

Рис.3.7. Графики напряжений и токов в усилителях:

а – с p-n-p-транзистором; б – с n-p-n-транзистором

3.7. Схемы межкаскадной связи.

Для передачи сигнала от одного каскада к другому применяют различные схемы, называемые схемами межкаскадной связи. Эти схе­мы одновременно служат для подачи питающих напряжений на электро­ды усилительных элементов, а также для придания усилителю опреде­ленных свойств. Существует три вида схем межкаскадной связи: не­посредственная, резисторная и трансформаторная. Название усили­тельного каскада определяется примененной в нем схемой межкаскад­ной связи.

В каскадах со схемами непосредственной межкаскадной связи называют такие схемы, в которых выходной электрод предыдущего каскада соединяется с входным электродом последующего непосредственно (рис.3.8). Основ­ным достоинством каскадов с непосредственной связью является их способность усиливать сигналы с постоянной составляющей. Недос­татком, нарушающим нормальную работу усилителей, является дрейф нуля. К дополнительным недостаткам каскада с непосредственной связью относится трудность согласования потенциальных уровней вы­ходных и входных цепей. Непосредственную связь используют в уси­лителях постоянного тока и в интегральных микросхемах.

Рис.3.8. Схема с непосредственной связи между каскадами

При резисторной (резисторно-емкостной) связи применяется разделительный конденсатор С1, который преграждает путь постоян­ной составляющей напряжения из выходной цепи на вход следующего каскада (рис.З.3). Резисторные каскады свободны от недостатков каскадов с непосредственной связью: они не обладают дрейфом нуля, передаваемым на следующий каскад, и без затруднения позволяют обеспечить необходимые напряжения на усилительных элементах при питании многокаскадного усилителя от одного источника. Резистор­ные каскады обладают хорошей частотной характеристикой, имеют не­большие нелинейные искажения и находят широкое применение.

Рис.3.9. Схема трансформаторной связи

При трансформаторной межкаскадной связи используется тран­сформатор (рис.3.9). Через первичную обмотку трансформатора, включаемую в выходную цепь усилительного элемента, на выходной электрод подается напряжение питания, а ко вторичной присоеди­няют входную цепь следующего каскада. Переменная составляющая вы­ходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и по­дающееся на вход следующего каскада.

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.