Стабильность рабочей точки

Классификация Режимы работы

Усилители на транзисторах

Усилителями называются устройства, в которых маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности от источника питания в нагрузку.

Различают усилители больших и малых сигналов. В усилителях больших сигналов амплитуды напряжения и тока сравнимы с напряжением и током источника питания. В усилителях малых сигналов амплитуды напряжения и токов много меньше напряжения и тока питания.

Усилителем мощности называется усилитель у которого мощность выходного сигнала соизмерима с мощностью потребляемой от источника питания.

Различают следующие режимы работы усилительных каскадов.

Режим А (рис. 3.1). В этом режиме ток в выходной цепи течет весь период сигнала. Режим А применяется в однотактных и двутактных каскадах, позволяет получать малые нелинейные искажения при усилении сигналов любой формы. Недостаток - малый коэффициент полезного действия (К.П.Д.).

Режим В (рис. 3.2). В таком режиме ток в выходной цепи протекает в течении половины периода сигнала. Вследствие малого среднего тока и тока покоя имеет более высокий К.П.Д. Применяется для усиления гармонических сигналов в двухтактных схемах и для усиления сигналов одной полярности в одноактных схемах. Имеет большие нелинейные искажения. Широко используется в усилителях мощности.

Режим С (рис. 3.3). Точка покоя располагается на оси входных напряжений левее пересечения линейного участка проходной характеристики с горизонтальной осью. Применяется для усиления импульсных сигналов одной полярности и прямоугольной формы, а так же в резонансных усилителях мощности. Имеет К.П.Д. до 80% выше чем у режима В.

Режим Д- ключевой режим. Усилительный каскад находится только в двух состояниях: в полностью открытом и полностью закрытом.

3.2. Выбор рабочей точки

Для выбора рабочей точки транзисторного усилителя используется семейство выходных вольт-амперных характеристик. Выбор точки покоя сводится к выбору тока коллектора I_КП и напряжения U_КП в режиме покоя, когда на вход усилителя не подается входной сигнал.

Для определения точки покоя используют нагрузочную прямую постоянного тока, описываемую уравнением (для схемы с ОЭ):

U_КЭ=E-I_КR₌, (3.2.1)

где Е- напряжение питания, R₌- сопротивление постоянному току, включенное в выходную цепь R₌=R_К+R_Э.

Для построения нагрузочной прямой постоянного тока на горизонтальной оси откладывают напряжение питания, а на вертикальной оси- ток равный E/R₌ и соединяют эти две точки.(рис. 3.4).

Точки пересечения нагрузочной прямой постоянного тока со статической выходной характеристикой для заданного тока или напряжения базы называется точкой покоя.

Нагрузочная прямая переменного тока описывается уравнением:

U_КЭ=U_КП-DI_КR_~, (3.2.2)

где DI_К- изменение тока коллектора, R_~- сопротивление переменного тока, включенное в выходную цепь. При R_~<R₌ нагрузочная прямая идет более круто по сравнению с нагрузочной прямой постоянного тока. Нагрузочные прямые переменного тока используют для расчета каскадов, работающих при большой амплитуде сигнала.

Для усилителей напряжения точка покоя выбирается исходя из амплитуды напряжения на коллекторе U_KM и амплитуды тока коллектора I_KM=U_KM/, где -сопротивление нагрузки переменному току

(=R_К||R_Н).

Рабочая точка усилителя не должна попадать в область насыщения и в область отсечки, поэтому точка покоя должна удовлетворять условиям: U_КП>U_КМ+U_КЭmin , (3.2.3)

I_KП³7, (3.2.4)

где U_КЭmin- напряжение на коллекторе, соответствующее началу прямолинейного участка выходных характеристик U_КЭmin=1-2В, »0.7-0.95- коэффициент запаса. При больших значениях могут возникать нелинейные искажения, а при меньших ухудшается К.П.Д.

Положение рабочей точки должно также удовлетворять условиям: U_КП+U_КМ<U_КЭmax , (3.2.5)

U_КП×I_КП<P_Кmax . (3.2.6)

В случае малого выходного сигнала выбор рабочей точки производят с учетом зависимостей параметров транзистора от режима и из соображений экономичности. Выбирают такие I_КП и U_КП при которых коэффициент передачи тока h_21Э и предельная частота усиления будут максимальны. Большим значениям U_КП будет соответствовать малая емкость коллектора, влияющая на частотные свойства. Для повышения экономичности выбирают I_КП и U_КП как можно меньше. При этом необходимо, чтобы мгновенные значения тока коллектора не были меньше I_Кmin=0,6-0,8 мА, так как при меньших токах возрастают нелинейные искажения.

I_КП>I_КМ+I_Кmin. (3.2.7)

В усилителях мощности точка покоя выбирается с учетом максимально допустимого напряжения коллектора и максимально допустимой мощности:

U_КП£ (3.2.8)

I_KП=. (7.2.9)

Выбрав точку покоя усилителя определяют соответствующий ей ток базы I_БП и по входным характеристикам получают напряжение базы в режиме покоя U_БП.(рис. 3.5).

Полученные режимы I_КП, U_КП, I_БП и U_БП обеспечиваются соответствующими источниками и резисторами.

Смещение рабочей точки вызывает изменение характеристик транзистора, так как они зависят от режима. Нестабильность рабочей точки определяется изменением следующих параметров: теплового тока DI_К0, напряжения на эмиттерном переходе DU_ЭБ, коэффициента усиления по току Db. Нестабильность параметров связана с изменением температуры и временным дрейфом.

Приращение коллекторного тока имеет вид:

DI_K=. (3.3.1)

Можно показать, что

I_K=, (3.3.2)

где R_ЭБ=R_Э+R_Б суммарное сопротивление в контуре эмиттер-база; R_Э и R_Б- эмиттерное и базовое сопротивления;

g_Б=- коэффициент токораспределения- показывает какая часть тока коллектора ответвляется в базу.

Коэффициентом нестабильности называется величина:

S=. (3.3.3)

Изменения коллекторного тока будут тем меньше, чем меньше коэффициент нестабильноси.

При g_Б=1 S_min=a, а при g_Б=0 S_min=b.

Для получения большей стабильности необходимо стремиться к условию g_Б®1. Удовлетворительные результаты дают значения R_Э/R_Б=0.5-1, которым соответствует S=2-3.

Рассмотрим основные схемы обеспечивающие режим каскада в схеме с ОЭ.

На рис. 3.6 показана простейшая схема каскада с ОЭ, в которой базовый ток задается резистором R_Б. Если уменьшить резистор R_Б, то увеличивается ток базы, а следовательно и ток коллектора. Напряжение U_КЭ при этом уменьшается, так как E=I_КR_К+U_КЭ. В данной схеме сопротивление в эмиттере R_Э=0, поэтому g_Б=0 и стабильность каскада оказывается низкой S=b.

Схема показанная на рис. 3.7 используется наиболее часто. Делитель R₁, R₂ определяет потенциал базы и тем самым фиксирует потенциал эмиттера, так как U_ЭБ»const.

Чем меньше сопротивление делителя R₁, R₂, тем меньше зависит потенциал базы от изменений базового тока. Вместе с тем низкоомный делитель уменьшает входное сопротивление и повышает расход мощности от источника питания. Обычно R₁½½R₂»R_Э или больше. Коэффициент нестабильности при этом составляет S=2-5. Сопротивление R_Э стараются выбирать как можно больше. Величина R_Э ограничивается увеличением падения напряжения I_ЭR_Э.

Применяется также схема показанная на рис. 3.8, в которой напряжение, питающее делитель меняется при изменении напряжения на коллекторе, а следовательно и тока I_К. Увеличение I_К уменьшает напряжение коллектора, снижая тем самым потенциал базы и уменьшая ток коллектора, что способствует увеличению стабильности. Получаемый выигрыш тем больше, чем меньше отношение (R₁+R₂)/R_К. При равенстве данного отношения единице или меньше ее стабильность по сравнению с предыдущей схемой повышается в 2-3 раза. Однако низкоомный делитель снижает усиление каскада и входное сопротивление к вытекающему из него неравенству R_Э>>R_Б.

Дата добавления: 2014-01-07