Анализ работы транзисторного усилителя. Понятие о классах усиления усилительных каскадов.

Простейший усилитель, выполненный на биполярном транзисторе, был рассмотрен ранее в гл. 10 (см. рис. 10.6). Для анализа усилителей, представляющих собой нелинейные цепи, содержащие управляемые нелинейные элементы (транзисторы), широко применяют графический метод. Воспользуемся этим методом для анализа усилителя, содержащего биполярный транзистор n-р-n-типа, на входе которого одновременно воздействуют сигналы переменного и постоянного тока. Пусть нагрузкой усилителя будет линейный резистор R_к включенный в цепь коллектора (см. рис. 11.6, а), а на вход усилителя подается переменный сигнал. В этом случае токи, возникающие в транзисторе, состоят из постоянных составляющих, определяемых режимом покоя, и переменных, обусловленных переменным входным электрическим сигналом.

Анализируя работу усилителя, приведенного на рис. 11.6, а, воспользуемся методом линеаризации. При этом учитываем, что по осям ординат ВАХ транзистора откладываются не постоянные значения токов и напряжений (как это имеет место, например, на рис. 11.6, б), а их мгновенные значения.

Линейным участком входной ВАХ транзистора можно считать участок CD (см. рис. 11.5, а), на котором аналитическая зависимость тока базы от входного напряжения u_бэ (представляющего собой сумму напряжения покоя U_бэп и синусоидального напряжения источника сигнала u_c) выражается уравнением прямой

(11.1)

где u_Д0 — остаточное напряжение диода; R_вх — входное сопротивление транзистора на участке CD.

Рис. 11.5. Нагрузочная характеристика усилителя (а), зависимость iк=f(iб) (б), временные диаграммы токов сигнала (в), базы(г), коллектора (д) и коллекторного напряжения (е)

Если рабочие точки (точки пересечения линии нагрузки R_к с соответствующей базовому току выходной вольт-амперной характеристикой транзистора) расположены на линейных участках BAX транзистора, то зависимость между выходным коллекторным током и входным базовым током можно считать также линейной (рис. 11.5, 6). Если рабочими участками усилительного каскада являются рассмотренные линейные участки входных и выходных ВАХ, то считают, что транзистор в усилительном каскаде работает в линейном режиме. При этом синусоидальный сигнал, подаваемый на вход усилительного каскада, практически не искажается на его выходе. Действительно, если точку покоя П выбрать на середине отрезка (О_т, Н_с) нагрузочной прямой, то при синусоидально изменяющемся токе сигнала (рис. 11.5, в) можно обеспечить максимальное изменение (от режима насыщения до режима отсечки) переменной составляющей коллекторного тока (увеличенного в β раз) практически без существенного искажения синусоидальной формы. Однако следует подчеркнуть, что на входе транзистора помимо переменной составляющей i_c действует также постоянная составляющая i_бп, которые совместно образуют входной ток базы i_б (рис. 11.5, г).

Аналогично, коллекторный ток, повторяющий полностью форму входного сигнала и совпадающий с ним по фазе, имеет также постоянную и переменную составляющие. Как видно из рис. 11.5 и соответствующего выражения (11.1), входное напряжение u_бэ изменяется прямо пропорционально изменению входного тока i_б, совпадая с ним по фазе. В то же время выходное напряжение на коллекторе u_кэ изменяется (как видно из сравнения рис. 11.5, г и 11.5, е) в противофазе с входным током i_б, т. е. сдвинуто относительно его на 180°, а следовательно, u_кэ изменяется в противофазе по отношению к входному напряжению u_бэ. Таким образом, схема ОЭ является инвертирующим устройством, переворачивающим входной сигнал на 180°. Это свойство схемы ОЭ используется в цифровых электронных схемах. Графический анализ усилительного каскада показывает, что, изменяя положение точки покоя П на нагрузочной прямой и амплитуду входного сигнала u_c(i_c), можно получить на выходе каскада ток i_к (напряжение u_кэ) различной формы. Так, нетрудно убедиться, воспользовавшись рис. 11.5, что перемещение точки П в точку О_т (режим отсечки) приведет к искажению выходного сигнала, поскольку отрицательные полупериоды тока i_c не будут пропускаться каскадом. Однако при этом амплитуда положительных полупериодов входного сигнала может быть увеличена примерно вдвое без искажения его формы на выходе каскада.

Рис. 11.6. Принципиальная схема усилителя с RC-связями на биполярном п-р-п транзисторе (а); схемы цепей постоянного (б) и переменного (в) токовусилителя с RC-связями

На практике широкое распространение для усиления сигналов по напряжению в широком частотном диапазоне нашли усилители с RC-связями. Принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. 11.6, а.

С помощью резисторов R_б1 и R_б2 , подключенных к постоянному источнику питания цепи и представляющих собой делитель напряжения, обеспечивается необходимое значение тока I_бп, который, в свою очередь, совместно с резистором R_к обеспечивает соответствующий режим покоя (см. рис. 11.5, а).

Вид цепи, соответствующий режиму покоя, приведен на рис. 11.6, б. Как видно из рис. 11.5, а, изменяя значение сопротивления R_к, а следовательно, и угол наклона его ВАХ, можно менять амплитуду усиленного сигнала на выходе усилителя, что соответствует изменению его коэффициента усиления. Усилитель, как видно из рис. 11.6, а, снабжен двумя разделительными конденсаторами: C_p1 и C_p2.

Первый из них C_p1 не допускает появления постоянной составляющей тока транзистора в цепи источника сигнала, подключаемого к входу усилителя, а второй C_p2 — обеспечивает прохождение в нагрузочное устройство с сопротивлением R_н только переменной составляющей усиленного сигнала.

Схема цепи переменного тока, соответствующая усилительному каскаду, приведена на рис. 11.6, в. Отсутствие в ней эмиттерного резистора объясняется наличием шунтирующего его конденсатора большой емкости C_Э. Сам конденсатор C_Э на схеме также не показан, так как его сопротивление переменному току близко нулю

Величина результирующего сопротивления нагрузочного устройства в цепи переменного тока равна

Рис. 11.7. Диаграммы работы в классах усиления А (а) и В (б)

Понятие о классах усиления усилительных каскадов. Класс усиления А имеет место при выборе точки покоя П в средней части нагрузочной характеристики выходной цепи транзистора (рис. 11.7, а). 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 искажение усиливаемого сигнала. В то же время работа усилителя в классе А характеризуется низким кпд, равным примерно 0,5, что объясняется присутствием в коллекторной цепи постоянного тока покоя (вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала) в результате чего в транзисторе рассеивается мощность

В связи с этим режим усиления А используют лишь в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых, как правило, важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение кпд не играет решающей роли.

Класс усиления В имеет место при смещении точки покоя П в нижний участок линии нагрузки, как показано на рис. 11.7, 6

. Это способствует предельному снижению тока I_Kп, 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 В используется в усилителях средней и большой мощности. Вот почему все выходные усилители работают в режиме класса В. В этом режиме значение кпд каскада можно довести до 0,7 и более (при мощности, рассеиваемой в транзисторе менее 0,25 от максимума полезной мощности в нагрузочном устройстве). Заметим, что при усилении в классе А максимальное значение кпд не может превышать 0,5, так как половина максимальной полезной мощности рассеивается в транзисторе. Вместе с тем в классе В наблюдается усиление лишь одной положительной полуволны усиливаемого сигнала, а 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. 11.8). Здесь при положительной полуволне входного сигнала открыт транзистор VT1 n-р-n-типа, а при отрицательной полуволне — транзистор VT2 (р-n-р-типа). В нагрузочное устройство с сопротивлением R_н поступает усиленный сигнал обоих полупериодов. Как правило, двухтактные усилители изготовляют в виде интегральной микросхемы, в едином кристалле полупроводника, что позволяет обеспечивать идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2.

Рис. 11.8. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности

Разновидностью режима класса В является режим класса АВ. Этот режим характеризуется наличием некоторого начального смещения точки покоя П в активную область. В этом случае

что позволяет совместить достоинства режимов класса А и В: малые нелинейные искажения и высокий кпд.

Режимом класса С называется такой режим работы усилителя, при котором ток в выходной цепи усилителя протекает меньше половины периода действия входного сигнала. Этот режим соответствует расположению точки покоя в области отсечки и находит применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередающих устройствах).

Режимом класса D или ключевым режимом называют такой режим работы усилителя, при котором ток в выходной цепи может принимать только два значения: I_Kmax и I_Kmin . Кпд такого усилителя близок к единице, что предопределяет его широкое использование в импульсной и цифровой технике.