Режимы работы усилительных каскадов

Каскад с общим коллектором.

Каскад с общей базой.

Каскад с общим эмиттером.

Режимы работы усилительных каскадов.

Лекция 7. Резисторные усилительные каскады

Тема 2. Усилители переменного и постоянного тока

Литература: 1. Опадчий Ю.Ф.и др. Аналоговая и цифровая электроника

(Полный курс): Учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П.

Глудкин, А. И. Гуров; Под ред. О. П. Глудкина. – М.:

Горячая линия – Телеком, 2002.

2. Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника: Учеб. пособие.

4-е изд. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004.

3. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. –

4-е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004.

Различают несколько режимов работы транзистора в усилительном каскаде, отличающихся друг от друга свойствами и значениями параметров и поэтому имеющих различные области применения. Эти режимы работы принято обозначать заглавными буквами латинского алфавита.

Рассмотрим особенности отдельных режимов работы усилительных каскадов на примере каскада, собранного на БТ, включенном по схеме с ОЭ, где для изменения положения рабочей точки использован переменный резистор R₂ (рисунок 1).

Рисунок 1

1.1 Режим класса " А "

Режимом класса А называют такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента существует в течение всего периода входного сигнала (рисунок 2).

Рисунок 2

В режиме А рабочая точка усилительного элемента находится примерно на середине прямолинейного участка проходной ВАХ БТ, что достигается подачей соответствующего тока смещения во входную цепь, изменяя сопротивление резистора R₂ (рисунок 1).

Из рисунка 2 видно, что в режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока I _кm не может быть больше тока покоя I _К0, при этом среднее значение выходного тока I_ср в режиме А почти не зависит от амплитуды входного сигнала и мало отличается от тока покоя I _К0.

Основным достоинством режима А является малый коэффициент гармоник вследствие работы усилительного элемента на линейном участке его ВАХ, в результате чего форма выходного тока не отличается от формы входного сигнала.

Основным недостатком режима А является низкий КПД.

Коэффициент полезного действия режима А, равный отношению отдаваемой усилительным элементом мощности сигнала P_~ к суммарной мощности P_S, потребляемой им от источника питания выходной цепи, оказывается малым из-за большого тока покоя. Для определения КПД выходного элемента используют выражение

а так как начальные значения I₀ и U ₀ достаточно велики, то согласно выражению КПД выходной цепи будет не высок, h £ 0,5.

Режим А применяют, в основном, во входных каскадах и каскадах предварительного усиления, а также в выходных каскадах небольшой мощности (до 1 Вт).

1.2 Режим класса " В " (" АВ ")

Режимом класса В называют такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента существует в течение примерно половины периода входного сигнала (рисунок 3).

В режиме В рабочая точка усилительного элемента расположена в начале линейного участка ВАХ, для чего во входной цепи изменяют смещение путем уменьшения сопротивления резистора R ₂ (рисунок 1). Для полной характеристики данного режима вводят понятие угла отсечки.

Углом отсечки Q называют половину периода тока выходного сигнала, выраженного в угловых единицах, в течение которого он протекает через усилительный элемент.

В идеальном режиме B угол отсечки Q = 90⁰, а выходной ток протекает в течение полупериода входного сигнала.

Рисунок 3

Однако в действительности из-за нижнего изгиба ВАХ ток покоя I _к0 в режиме В оказывается не равным нулю, а составляет 5... 15 % максимального значения выходного тока I_{к mах} и угол отсечки Q немного превышает 90 ⁰. Из-за последнего обстоятельства этот режим иногда называют режимом АВ, так как он является как бы промежуточным между режимом А и идеальным режимом В.

Вследствие малого тока покоя и меньшего среднего значения тока (I_ср = 0,318 ×I_{к mах}), потребляемого от источника питания при равной величине амплитуды выходного тока, КПД каскада, работающего в режиме В, значительно выше, чем при режиме А. В режиме В среднее значение выходного тока почти пропорционально амплитуде выходного сигнала и падает до очень малого значения в его отсутствие.

Основным достоинством режима В является малое потребление энергии питания. Это обусловлено не только более высоким КПД по сравнению с режимом А, но также и тем, что потребляемый от источника питания ток сильно уменьшается при слабых сигналах. В результате каскад мощного усиления, работающий в режиме В, потребляет в несколько раз меньше энергии от источника питания, чем каскад с такой же выходной мощностью, работающий в режиме А.

Недостатком режима В является то, что усилительный элемент в нем почти полпериода находится в закрытом состоянии, а, следовательно, усиливает только один полупериод подводимого сигнала, что приводит к значительным искажениям. Иными словами, вследствие использования почти всего участка характеристики усилительного элемента, включая криволинейный, коэффициент гармоник двухтактного каскада в режиме В оказывается выше, чем в режиме А. Поэтому в усилителях гармонических сигналов произвольной формы использование режима В возможно лишь в двухтактных схемах, где одно плечо работает при положительном полупериоде, а другое – при отрицательном.

Из-за высокого КПД режим В широко применяется в выходных (оконечных) каскадах большой мощности.

1.3 Режим класса " D "

Режимом класса D (ключевой режим) называют такой режим, при котором усилительный элемент во время работы находится только в двух состояниях – в насыщении или в отсечке.

Главным достоинством такого режима является то, что потери энергии в усилительном элементе очень малы, а КПД оказывается близким к единице.

Недостатком данного режима является ограниченность его применения. Ключевой режим используют лишь для усиления прямоугольных импульсов произвольной длительности и скважности; при этом напряжение усиленных импульсов в выходной цепи получается практически равным напряжению источника питания и не зависит от амплитуды импульсов на входе усилителя. Такое усиление прямоугольных импульсов с ограничением их по максимуму широко используется в электронно-вычислительных машинах, регулирующих и следящих устройствах, где ключевой режим является наиболее эффективным.

Дата добавления: 2014-01-07