Режимы работы активных элементов усилительного каскада

Р ежим работы активного элемента усилительного каскада характеризуется: а) его рабочей точкой (РТ); б) уровнем (величиной) входного сигнала; в) наличием нагрузки в выходной цепи.

Рабочая точка – это совокупность постоянных напряжений и токов на выводах активного элемента при отсутствии сигнала на входе. Для биполярного транзистора рабочая точка в схеме ОЭ определяется четырьмя величинами: I⁰_Б, U⁰_БЭ, I⁰_К, U⁰_КЭ. Эти величины взаимосвязаны и поэтому достаточно задавать лишь две из них.

В зависимости от уровня входного сигнала различают два режима работы.

1. Режим малого входного сигнала, когда выполняется условие . В таком режиме рабочую точку выбирают из условия, когда . Чаще всего за рабочую точку принимают режим рекомендованный в справочниках для измерений параметров биполярного транзистора.

2. Режим большого входного сигнала, когда . Рабочую точку выбирают по ВАХ транзистора исходя из получения , . Положение рабочей точки определяют по графикам входных и выходных ВАХ.

В зависимости от положения рабочей точки различают следующие классы режимов работы активных элементов: A, В, AB, С, D.

1 ). Режим класса А. Рабочая точка выбирается на середине линейного участка ВАХ (точка А) и при воздействии входного сигнала ее положение остается в пределах этого линейного участка (участок АВ–F). Здесь КНИ минимален, но максимальное значение КПД не превышает 25%.

2). Режим класса В. Рабочая точка выбирается при напряжении, когда выходной ток практически обращается в ноль. В этом режиме усиливается только одна полуволна входного напряжения (положительная или отрицательная), КПД – максимальный, но КНИ достигает 70%. Этот режим применяется в двухтактных усилителях мощности, которые позволяют кардинально снизить КНИ.

3). Режим класса АВ. Рабочая точка выбирается на начале линейного участка, что несколько уменьшает КНИ.

4). Режим класса С. Рабочая точка выбирается при U⁰_БЭ <U_{БЭ ПОР}. Ток в выходной цепи протекает на интервале меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала.

5). Режим класса Д. Биполярный транзистор работает не в усилительном, а в ключевом режиме и под действием входного сигнала находится в одном из двух состояний: насыщения или отсечки.

Транзистор в режиме усиления малого сигнала.

П ри использовании транзистора в качестве усилителя в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой будем для простоты считать чисто активным. На рис.8.9 усилитель на транзисторе изображен в обобщенном виде как четырехполюсник: в выходную цепь включено сопротивление нагрузки R_н; во входной цепи действует источник сигнала, создающий переменное напряжение, , которое должно быть усилено.

Т ри возможные схемы включения транзистора в качестве усилителя представлены на рис.8.10. В схемах с ОБ и с ОЭ сопротивление нагрузки R_н включено в коллекторную цепь последовательно с источником коллекторного напряжения , в схеме с ОК нагрузка включена в цепь эмиттера. Во входные цепи включены источники усиливаемого напряжения и напряжения смещения , (ОБ) или (ОЭ, ОК), позволяющие установить рабочую точку на практически линейном участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Нагрузочные характеристики транзистора.

Х арактеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, так как в данном режиме выходное напряжение не остаётся постоянным. Напряжение коллектора при наличии сопротивления R_Н в его цепи и ток коллектора I_К связаны соотношением (8.2).

или (8.2)

Это выражение, являющееся уравнением прямой, и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора. Эта прямая пересекает оси координат в точках при U_к=0 и при . Нагрузочная характеристика строится на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис.8.11).

Для получения входной нагрузочной характеристики транзистора перенесем на семейство входных статических характеристик точки А,B,С полученной нами выходной нагрузочной характеристики. Соединяя эти точки плавной кривой (рис.8.12), получим требуемую характеристику.

В схеме ОЭ входные статические характеристики в активном режиме практически сливаются и в справочниках обычно приводится лишь одна характеристика для достаточно большого напряжения U_КЭ, и ее можно принять в качестве входной нагрузочной характеристики.

По построенным нагрузочным характеристикам можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение или ток смещения, допустимую амплитуду сигнала, входную и выходную мощность, коэффициент усиления по току, напряжению и мощности.

Связь коэффициентов усиления с h-параметрами.

В нагруженном режиме к уравнениям, связывающим приращения токов и напряжений, добавляется еще одно, связывающее приращение выходного тока и напряжения согласно нагрузочной характеристике:

,

Три уравнения связывают четыре переменные, таким образом, только одна из них является независимой. Исключая из этих уравнений те или другие величины, получаем

(8.3)

(8.4)

Обычно при включении с ОБ и ОЭ

h₂₂<<1/R_Н, (8.5)

h₁₁/R_Н>>h₁₂h₂₁, (8.6)

тогда

(8.3а)

(8.4а)

(8.7)

Усилительные свойства транзистора при различных способах включения.

С хема с ОБ

1.

2.

3.

4.

Недостатком схемы с ОБ является низкое входное сопротивление, затрудняющее согласования ступеней усиления.

С хема с ОЭ

1.

2.

3.

4.

Благодаря более высокому входному сопротивлению и более высокому усилению по мощности схема с ОЭ получила на практике самое широкое распространение.

Схема с ОК

В схеме с ОК на эмиттерном переходе действует напряжение , равное разности между входным и выходным напряжениями. Поэтому коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК всегда меньше единицы.

Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно-параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмитерный повторитель имеет следующие параметры:

1)R_вх - высокое 4)K_I>1

2 )R_вых -малое 5)K_p=K_UK_J>1

3)K_u≤1

1.

2.

3.

4.

Схема с ОК отличается высоким входным и низким выходным сопротивлением. Эта схема применяется в основном для согласования источника сигнала с большим выходным сопротивлением с нагрузкой, имеющим малое сопротивление, при обеспечении усиления по току.

Основные способы задания рабочей точки на входных ВАХ БТ.

На рис.8.10 для задания рабочего режима входной и выходной цепей используется два источника питания. На практике обычно применяется один источник питания – E_к, а режим по постоянному току входной цепи осуществляется схемным путем. На рис.8.13 приведены некоторые способы задания рабочей точки при включении по схеме с общим эмиттером. Разделительные конденсаторы С₁, С₂, С_Э выбираются с достаточно большой емкостью, их сопротивлением в рабочей области частот можно пренебречь.

Простейшая схема приведена на рис.8.13а. Эта схема с фиксированным током базы, она называется также схемой со стабилизацией тока базы, т.к. при достаточно большом E_К (E_К>>U_БЭ) I⁰_Б не меняется при изменении U_БЭ вследствие изменения температуры.

Параметры выбранной рабочей точки входной и выходной цепей могут изменяться при изменении температуры в результате изменения токов I⁰_Э и I⁰_К вследствие изменения токов I_КБО (ОБ) , I_КЭО (ОЭ). Для оценки влияния изменения тока I_КБО (I_КЭО) на ток коллектора I_К используют параметр К_нест – коэффициент нестабильности, определяемый как

К_нест = dI_К /dI_КБО

Простейшая схема не обеспечивает стабильности коллекторного тока при изменении температуры, коэффициент нестабильности велик:

К_нест = dI_К / dI_КБО = 1/(1+h_21Б)=+1

В схеме выбора и стабилизации рабочей точки с резистором между базой и коллектором (рис.8.13б) реализована параллельно-параллельная ООС, что позволяет снизить коэффициент нестабильности в [1+h_21Э(R_К + R_Б)] раз относительно схемы рис.18а:

К_нест = (1 + h_21Э)/(1 + h_21Э(R_К + R_Б)).

Однако данная схема приводит к появлению обратной связи по напряжению не только по постоянной, но и по переменной составляющей, а также к снижению входного сопротивления транзистора. Для исключения этих недостатков сопротивление R_Б разбивают на две части и заземляют среднюю точку через конденсатор

Для стабилизации рабочей точки транзистора наиболее часто применяют схему с делителем напряжения на базе и резистором в цепи эмиттера, показанную на рис.8.13в. Сопротивления R₁, R₂ выбираются достаточно малыми, чтобы ток, проходящий через них, во много раз превышал ток базы I⁰_Б, (обычно I_д=(5 10)I⁰_Б). В этом случае потенциал базы относительно земли почти не зависит от тока базы. В то же время сопротивления R₁, R₂ должны быть значительно больше, чем входное сопротивление транзистора по переменному току. В цепь эмиттера включен резистор R_Э, обеспечивающий отрицательную последовательно-последовательную обратную связь по постоянному току. Увеличение тока коллектора (эмиттера) вызывает уменьшение разности потенциалов U_БЭ, что приводит уменьшению тока базы I⁰_Б и, соответственно, к уменьшению тока эмиттера I⁰_Э и коллектора I⁰_К.

Эта схема при правильном выборе параметров обеспечивает высокую стабильность рабочей точки и выходных характеристик с изменением температуры; стабильность режима при замене одного транзистора другим.

*Анализ схемы приводит к следующему выражению для коэффициента нестабильности

При правильно спроектированной схеме величина R_Эh_21Э/(R_Э+R₁)>>1, тогда К_нест=1+R₁/R_Э Обычно сопротивления R₁, R₂ берут в несколько раз больше, чем входное сопротивление транзистора по переменному току.