Общие принципы работы электронных усилителей, динамические характеристики

Усилительные свойства транзистора могут быть реализованы при включении в его коллекторную или эмиттерную цепь внешних сопротивлений, с которых снимаются колебания усиливаемого сигнала. В этом случае статические характеристики не отражают зависимостей между мгновенными значениями напряжений и токов в цепях усилительного элемента. Эту функцию выполняют динамические характеристики усилительного каскада, широко используемые при графоаналитическом расчете. Для практических целей используют выходные, входные, проходные и сквозные динамические характеристики.

Рассмотрим работу простейшего усилительного каскада на транзисторе (рис.3.22). Во входную цепь транзистора включены источник входного сигнала с действующим значением ЭДС Е_и и источник смещения Е_см. Нагрузкой транзистора для постоянного коллекторного тока является сопротивление R_к. Будем считать, что сопротивление конденсатора С_р, через который усиленное напряжение переменного сигнала передается к внешней нагрузке, а также внутреннее сопротивление источника питания Е_к переменной составляющей выходного коллекторного тока незначительны по сравнению с последовательно включенными с ними сопротивлениями R_н и R_к. Это справедливо для большей части рабочего диапазона частот усилителя. Поэтому сопротивление нагрузки коллекторной цепи переменному току

R_н.экв = R_кR_н/(R_к + R_н),

где R_н - сопротивление внешней нагрузки каскада.

Выходная динамическая характеристика отображает графически зависимость выходного тока усилительного каскада от выходного напряжения при наличии в выходной цепи сопротивления нагрузки. Поскольку нагрузка выходной цепи для постоянной и переменной составляющих выходного тока различна, то различают выходную динамическую характеристику по постоянному и переменному току.

При отсутствии входного сигнала через транзистор протекает постоянный ток, и для любого момента времени для выходной цепи можно записать

U_вых = Е_к - I_выхR_к.

Данное выражение является уравнением прямой линии в системе координат статических выходных характеристик I_вых = f(U_вых), ее строят по двум точкам: первая точка – U_к = 0, I_к = Е_к/R_к; вторая точка – I_к = 0, U_к = Е_к. Проведенную между этими точками линию называют нагрузочной линией постоянного тока или нагрузочной прямой постоянного тока (рис.3.23, а линия KL).

Точка пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при заданном входном напряжении U_вх.0, определяемом источником смещения Е_см, называется рабочей точкой "А". Нагрузочная прямая каскада при переменном токе отличается от нагрузочной прямой постоянного тока, т.к. по переменному току нагрузочное сопротивление усилителя равно не R_к, а R_н.экв (прямая MN на рис.3.23, а). Обе прямые пересекаются в рабочей точке "А".

Линию нагрузки постоянному току используют для определения координат точки покоя, зная которые, можно рассчитать элементы смещения и стабилизации усилительного каскада, а также при полном расчете каскадов предварительного усиления, работающих в режиме малого сигнала.

Линией нагрузки переменного тока пользуются при расчете усилителей мощности, т.е. схем, работающих при больших амплитудах сигналов.

Проходная динамическая характеристика – это зависимость вида I_вых = f(U_вх). Построить ее можно переносом точек нагрузочной прямой переменного тока с выходных координат в проходные (рис.3.23, б).

Входная динамическая характеристика усилительного каскада – это зависимость I_вх = f(U_вх). Поскольку входные статические характеристики для разных значений U_вых отличаются очень незначительно, обычно в качестве динамической входной характеристики используют статическую, снятую при выходном напряжении 5 В (приводится в справочниках).

3.5.4. Классы усиления электронных усилителей

Степень нелинейных искажений усиливаемых сигналов и КПД усилительного каскада определяются выбором его режима работы (класса). В зависимости от положения рабочей точки различают три основных режима работы усилительных каскадов: А, В и С.

В режиме класса А (рис.3.24, а) рабочая точка находится приблизительно в центре линейного участка проходной динамической характеристики. Это обусловливает минимальные нелинейные искажения усилителя. КПД усилительного каскада в этом режиме невелик и не превыша­ет 20–30 %. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления и маломощные оконечные каскады.

В режиме класса В напряжение смещения U_вх.0 выбирают таким образом, чтобы рабочая точка находилась почти в самом начале проходной динамической характеристики (рис.3.24, б). При наличии входного сигнала ток в выходной цепи каскада усиления протекает в течение половины периода изменения напряжения сигнала, что определяет его пульсирующую форму с углом отсечки θ = π/2. Режим характеризуется более высоким КПД, достигающим 60–70 %. Вместе с тем, режим класса В отличается относительно большими (по сравнению с классом А) нелинейными искажениями.

Для усиления сигнала в течение всего периода используют двухтактные схемы, когда одно плечо схемы работает в положительный полупериод, а другое – в отрицательный. В режиме В работают каскады мощного усиления (выходная мощность 10 Вт и более).

В некоторых случаях используется режим класса АВ – промежуточный между режимами А и В.

В режиме С напряжение смещения U_вх.0 выбирают таким образом, чтобы рабочая точка находилась левее начала проходной динамической характеристики (рис.3.24, в). Здесь θ < π/2 и КПД достигает 85 %, нелинейные искажения выше, чем в классе В. Режим С применяют в мощных резонансных усилителях.

Кроме того, находит применение режим класса D, иначе этот режим называется ключевым. Управляющий элемент в этом режиме находится либо в состоянии отсечки (ток через элемент равен нулю), либо в состоянии насыщения (напряжение на элементе равно нулю). КПД в этом режиме выше, чем в классе С (он близок к единице). Режим используется в импульсных усилителях.

Дата добавления: 2015-05-06