Методы стабилизации рабочей точки

Класс усиления С и D

Класс усиления АВ

Класс усиления В

Класс усиления А

Понятие о классах усиления усилительных каскадов

В зависимости от значения и знака напряжения смещения и напряжения сигнала в схеме транзисторного каскада возможно несколько принципиально различных режимов его работы, называемых классами усиления. Для обозначения различных классов усиления используются прописные латинские буквы. Рассмотрим их подробнее.

Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса А. Характерной чертой этого режима является выполнение условия , для обеспечения которого напряжение должно быть положительным и превосходить максимальную амплитуду напряжения .

Максимальная амплитуда выходного сигнала в данном режиме может достигать значения близкого к . Для этого необходимо чтобы или .

Используя характеристики каскада, приведенные на рис. 2.3.2 можно легко найти напряжение и допустимый диапазон изменения входного сигнала, обеспечивающие получение максимальной амплитуды выходного сигнала при условии минимальных его искажений. Последнее является характерной чертой класса усиления А. Для этого по характеристике на рис. 2.3.2, а находят ток базы, соответствующий началу линейного участка входной характеристики транзистора. По выходным характеристикам транзистора рис. 2.3.2,б или, используя соотношение (2.3.3), определяют коллекторный ток транзистора и его напряжение , соответствующие найденному току базы ( и ) По этим же характеристикам определяют максимальный коллекторный ток транзистора, соответствующий границе его активного режима работы и режима насыщения (точка Н_с пересечения нагрузочной прямой с характеристикой ). Искомый ток покоя коллектора будет равен полусумме найденных значений:

, (2.3.10)

а максимальная амплитуда выходного тока - полуразности этих значений:

. (2.3.11)

По найденным значениям и для известного значения находят , , , .

Таким образом, класс усиления А имеет место при выборе точки покоя П в средней части нагрузочной характеристики выходной цепи транзистора (рис. 2.3.2,в). 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 нелинейное искажение усиливаемого сигнала. В то же время работа усилителя в классе А характеризуется.низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током в цепи R_к вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала , в результате чего в транзисторе рассеивается мощность . В связи с этим класс усиления А используют лишь в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых, как правило, важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, значение КПД не играет решающей роли.

Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса В. Данный режим соответствует выбору . При этом и (рис.2.3.2, г).

Из сказанного следует, что мощность, рассеиваемая в каскаде при условии =0, практически равна нулю, так как транзистор находится в режиме отсечки.

Таким образом, класс усиления В имеет место при смещении точки покоя П в нижний участок линии нагрузки как показано на рис. 2.3.2, г. Это способствует предельному снижению тока , 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 усиления В предпочтительнее для использования в усилителях средней и большой мощности. В этом, режиме значение КПД каскада можно довести до 0,7 и более. Вместе с тем в классе усиления В наблюдается усиление лишь одной положительной полуволны усиливаемого сигнала , и 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. 2.3.3, а). Здесь при положительной полуволне входного сигнала открыт транзистор VТ1 п-р-п -типа, а при отрицательной полуволне - транзистор VТ2 (р-п-р -типа). В нагрузочное устройство с сопротивлением поступает усиленный сигнал обоих полупериодов. Как правило, двухтактные усилители изготовляют в виде ИС, в едином кристалле полупроводника, что позволяет обеспечивать идентичность параметров транзисторов VТ1 и VТ2. Особенности схемотехнического построения подобных каскадов будут рассмотрены ниже.

Основным недостатком усилителей, работающих в классе усиления В, являются значительные нелинейные искажения выходного напряжения. Это хорошо видно из входной характеристики транзистора, показанной на рис. 2.3.3, б. Предположим, что на вход каскада подано напряжение . Так как , то ток коллектора транзистора будет изменяться только для интервала . При этом из-за существенной нелинейности начального участка входной характеристики транзистора коэффициент пропорциональности между входным и выходным напряжениями не будет оставаться постоянным. На интервале и , где , ток коллектора транзистора будет изменяться существенно медленнее, чем на интервале / Это приведет к появлению на выходе типичных искажений, получивших название «ступеньки». Большие искажения усиленного сигнала являются причиной того, что класс усиления В практически не используется в усилителях.

Рис 2.3.3. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности (а) и временные диаграммы (б), поясняющие ее работу.

Устранить указанный недостаток усилителей класса В можно, введя в каскад небольшое напряжение смещения. Если , то причина появления «ступеньки» в выходном напряжении устраняется. При этом в выходной цепи транзистора начинает протекать некоторый ток покоя . Однако этот ток, как правило, существенно меньше максимального тока коллектора , что позволяет обеспечить высокий КПД каскада.

Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса АВ.

Таким образом, в режиме усиления класса АВ . Такой режим работы нашел широкое применение при построении выходных каскадов усилителей мощности, так как при высоком КПД они обеспечивают получение небольших искажений выходного сигнала.

На практике встречаются случаи, когда нагрузкой транзисторного каскада является колебательный контур, в котором необходимо обеспечить поддержание незатухающих колебаний, например выходные каскады передающих устройств. Для поддержания колебаний транзистор должен обеспечивать «подкачку» в контур энергии, рассеивающейся на его активных элементах. При больших добротностях контура эта энергия может быть существенно меньше энергии собственных колебаний и для ее восстановления достаточно подключение внешнего источника питания на время, меньшее половины периода колебаний. Реализовать такой режим работы можно, если на вход каскада, показанного на рис. 2.3.1, а подать напряжение смещения, удовлетворяющее условию .

Класс усиления С. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса С.

В режиме усиления класса С транзистор больше половины периода находится в состоянии отсечки (точка О_т на рис. 2.3.2, б) и его ток мало отличен от нуля. Этот режим соответствует расположению точки покоя в области отсечки и находит широкое применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередающих устройствах).

Во всех рассмотренных ранее режимах работы максимальный входной ток, а, следовательно, и входное напряжение ограничиваются величинами, соответствующими границе между активным режимом работы и режимом насыщения. В этом случае , а может быть определено по выходным характеристикам транзистора (рис. 2.3.2, а) по известному току , т. е. во всех рассмотренных режимах работы рабочая точка на выходных характеристиках каскада (рис. 2.3.2, б) не заходит правее точки О _т и левее точки Н_{с .}

Общим для всех рассмотренных режимов работы является так же тот факт, что усиление входного сигнала сопровождается потерями мощности в транзисторе усилительного каскада. Абсолютная величина этих потерь для различных классов усиления различна, но они не могут быть сведены к нулю. Это вытекает из того, что сам процесс усиления, согласно обобщенной структурной схеме усилителя (рис. 2.1.1) связан с перераспределением напряжения (мощности) между регулирующим элементом и нагрузкой.

На выходных характеристиках каскада (рис. 2.3.2, б) существует только две области, для которых можно считать, что мощность, выделяющаяся в транзисторе, теоретически равна нулю. Это точка О _т, соответствующая режиму отсечки (цепь нагрузки практически разорвана - выключена), и интервал Н_с... Н_с1, соответствующий режиму насыщения биполярного транзистора (цепь нагрузки непосредственно подключена к источнику питания - включена). В этих областях потери, существующие в транзисторе определяются исключительно его собственными параметрами и не связаны с процессом усиления входного сигнала.

Класс усиления D. Режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме усилительный элемент (биполярный транзистор) может находиться только в состоянии включено (режим насыщения биполярного транзистора) или выключено (режим отсечки биполярного транзистора), называется ключевым режимом или режимом усиления класса D.

Таким образом, ток в выходной цепи усилительного каскада, работающего в режиме усиления класса D, может принимать два значения: и . Поэтому КПД такого усилительного каскада близок к единице.

Режим класса усиления D широко используется в устройствах, основным требованием к которым является получение максимального КПД. Как правило, это устройства с автономным питанием, рассчитанные на длительный режим работы. Для реализации данного режима работы входное напряжение должно принимать значение либо меньшее порогового напряжения , либо большее , соответствующего границе активного режима работы и режима насыщения.

Согласно данному определению, выходное напряжение усилителя, работающего в режиме класса усиления D, всегда имеет форму прямоугольного импульса, и усиление входного сигнала сопряжено с изменением того или иного параметра этого импульса, например его длительности, фазы и т. п.

КПД каскада, работающего в режиме класса усиления D, только теоретически может быть равен единице. На практике в таких каскадах всегда присутствуют три составляющие потерь, природа которых кроется в не идеальности используемой элементной базы. Это потери в насыщенном состоянии, потери в режиме отсечки и потери на переключение, обусловленные движением рабочей точки на выходных характеристиках транзистора из точки О _т в точку Н_с и обратно. Однако при правильном проектировании эти потери всегда меньше потерь в других классах усиления.

Основные параметры каскада усиления по схеме с общим эмиттером сильно зависят от внешних возмущающих воздействий. К ним, в первую очередь, следует отнести изменение температуры окружающей среды, вызывающей, во-первых, изменение обратного тока коллекторного перехода , во-вторых, изменение напряжения эмиттерного перехода транзистора, и, в-третьих, изменение его коэффициента передачи тока , изменение напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки и т. п. Все эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и, следовательно, изменению выходного напряжения усилительного каскада.

Внешние возмущения, изменяя ток покоя транзистора , выводят усилитель из заданного режима работы. Это особенно опасно для режима усиления класса А, так как может вывести транзистор в нелинейную область его характеристик, что вызовет увеличение нелинейных искажений или вообще приведет к появлению одностороннего ограничения выходного сигнала при заходе рабочей точки в режимы насыщения или отсечки. По этой причине при проектировании транзисторных усилителей вопрос стабилизации точки покоя является одним из главных.

Существует три основных метода стабилизации режима работы транзисторного каскада: термокомпенсация; параметрическая стабилизация; введение цепей отрицательной обратной связи.

Метод термокомпенсации базируется на том, что внешними конструктивными и схемотехническими решениями стараются исключить воздействие на транзисторный каскад нежелательных возмущений.

Так, если основным возмущающим воздействием является изменение температуры окружающей среды, то наиболее чувствительные к этим воздействиям каскады усилителя могут быть конструктивно выделены в некоторый самостоятельный узел, в котором принудительно (вне зависимости от внешних условий) поддерживается неизменная температура, что и дало название методу. В эту же группу методов можно отнести питание наиболее подверженных воздействию каскадов стабилизированным напряжением или применение элементов со стабильными параметрами и т. п. Общим для всех этих методов, как это уже было отмечено, является исключение действия возмущений на транзисторный каскад, вызывающих недопустимые изменения его параметров

Метод параметрической стабилизации базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада. В качестве примера на рис. 2.3.4, а приведена схема транзисторного каскада, в которой для введения начального смещения рабочей точки используется внешний делитель на резисторах . Очевидно, что в данной схеме при увеличении температуры окружающей среды будет увеличиваться ток . Это обусловлено уменьшением напряжения вследствие сдвига входной характеристики транзистора влево и увеличением и . Поэтому при увеличении температуры, сохранение на неизменном уровне требует уменьшения начального смещения . Для этого необходимо либо увеличивать сопротивление , либо уменьшать сопротивление . Возможно и одновременное изменение сопротивлений обоих резисторов. Если параметры изменения сопротивлений согласованы с изменениями параметров транзисторов, такое решение позволяет получить хорошую температурную стабильность каскада.

Рис. 2.3.4. Параметрическая стабилизация режима покоя усилительного каскада с использованием терморезисторов (а) и дополнительного транзистора (б).

Во входном делителе могут быть использованы различные элементы, например, терморезисторы, либо другие полупроводниковые приборы. На рис. 2.3.4, б показано использование эмиттерного перехода дополнительного транзистора VТ_К в качестве такого элемента. Если параметры транзисторов VТ_К и VТ₁ одинаковы, то такое решение позволяет полностью устранить изменение тока _, вызванное изменением напряжения . Такое решение находит широкое применение при разработке аналоговых интегральных схем.

Общим для обоих рассмотренных методов является компенсация только одного из дестабилизирующих факторов. Так, решение, представленное на рис. 2.3.4, б не позволяет компенсировать изменение обусловленное изменением значения , а термостабилизация части каскадов не устраняет возмущений, вызванных изменением напряжения питания и т. п. К тому же при использовании параметрического метода трудно подобрать элементы, способные в широком диапазоне изменения внешних возмущений достаточно точно стабилизировать параметры транзисторного каскада, поэтому рассмотренные выше методы применяются как дополнительные, т. е. совместно с введением в каскад различных цепей обратной связи. Введение цепей обратной связи способно сильно изменять все параметры усилителя, причем, чем больше исходный коэффициент усиления, тем сильнее могут быть эти изменения.

Метод введения цепей обратной связи является универсальным методом стабилизации параметров не только одиночного транзисторного каскада, но и всего усилителя в целом. При правильном выборе он способен компенсировать влияние всех воздействующих на усилитель внешних возмущений. Для каскада, показанного на рис. 2.3.1, практическое применение нашло введение последовательной отрицательной обратной связи по току нагрузки и параллельной отрицательной обратной связи по выходному напряжению.

Дата добавления: 2015-03-29