§ 3.2. Режимы работы транзистора в схеме усилительного каскада. Однотактные и двухтактные схемы усилительных каскадов

В зависимости от величины постоянной составляющей входного тока (от положения рабочей точки покоя О) транзистор в схеме усилительного каскада может работать без отсечки и с отсечкой тока. В последнем случае коллекторный ток протекает только в течение части периода входного сигнала. Различают четыре основных режима работы транзистора: классы А, АВ, В, С.

Режим класса А. Этот режим характеризуется работой транзистора без отсечки тока, с минимальными нелинейными искажениями Лормы сигнала. Для обеспечения режима класса А, например в схеме ОЭ на вход транзистора подается такое постоянное напряжение смещения , при котором рабочая точка покоя О занимает положение, соответствующее середине линейного участка 1—2 входной характеристики транзистора на рис. 3.6. При этом максимальную амплитуду входного переменного сигнала выбирают такой, чтобы рабочая точка перемещалась по характеристике в пределах ее линейного участка, иначе появляются нелинейные искажения за счет нелинейности входных характеристик, зависящие от соотношения между внутренним сопротивлением генератора входного сигнала и входным сопротивлением каскада .

Если (режим источника напряжения), то на вход усилителя поступает напряжение синусоидальной формы. На рис. 3.6 видно, что при за счет нелинейности входной характеристики транзистора форма тока базы существенно искажается, так как .

Рис. 3.6.

При (режим источника тока) на вход усилителя поступает ток синусоидальной формы. В этом случае нелинейность входной характеристики мало влияет на форму выходного тока, поэтому нелинейные искажения уменьшаются по сравнению с режимом источника напряжения. Однако с увеличением возрастает отбираемая от источника сигнала мощность.

Нелинейные искажения за счет нелинейности выходных характеристик транзистора обусловлены зависимостью коэффициента усиления тока базы В от тока коллектора.

Количественно суммарные нелинейные искажения за счет нелинейности входных и выходных характеристик определяют с помощью сквозной динамической характеристики, представляющей собой зависимость выходного тока от ЭДС генератора входного сигнала . Сквозную характеристику можно построить, используя входную и выходную характеристики транзистора и зная положение нагрузочной прямой. По заданным, например, в точках пересечения 1, 2, 0, 3, 4 (см. рис. 3.5) значениям коллекторного тока определяют соответствующие им значения базового тока .

По входной характеристике для данных базовых токов находят значения .

Затем, пользуясь формулой , находят ЭДС генератора .

На рис. 3.7 построены сквозные характеристики для двух значений сопротивления , откуда видно, что при сквозная характеристика более линейна, чем при

Для оценки нелинейных искажений каскада необходимо, используя сквозную характеристику, найти высшие гармоники выходного тока и определить коэффициент гармоник .

Рис. 3.7.

Рис. 3.8.

Так как в режиме класса А нелинейные искажения в основном создает вторая гармоника (амплитуды остальных малы), то коэффициент можно записать следующим образом:

Определив по сквозной характеристике (рис. 3.8) значения токов , соответствующие максимальному амплитудному значению генератора сигнала , с помощью гармонического анализа [3] можно получить

Таким образом,

Режим класса А широко используется в схемах усилителей напряжения. Однако КПД усилительного каскада, работающего в режиме класса А, относительно мал. Действительно, полезная и потребляемая мощности каскада соответственно равны

где - эффективные значения напряжения и тока.

Тогда выражение для КПД, определяемое отношением полезной мощности к потребляемой, будет иметь вид

Рис. 3.9.

Максимальная амплитуда коллекторного тока ограничивается допустимыми нелинейными искажениями и, как показывает графический анализ каскада ОЭ на рис. 3.9, всегда меньше значения . Из рис. 3.9 видно также, что максимальная амплитуда коллекторного (выходного) напряжения меньше половины напряжения источника питания, т. е. .

Таким образом, максимальный КПД усилительного каскада ОЭ, работающего в режиме класса А,

меньше

Усилитель мощности, работающий в режиме класса А, отличается от каскада усиления напряжения (см. рис. 3.2, а) тем, что для повышения КПД в коллекторную цепь транзистора включен не резистор, а выходной трансформатор (рис. 3.10).

Рис. 3.10.

В отсутствие переменного входного сигнала на базу транзистора подается постоянное напряжение смещения , обеспечивающее на его выходных характеристиках положение рабочей точки покоя О, соответствующее режиму класса А (рис. 3.11). Так как в отсутствие входного сигнала коллектор транзистора через первичную обмотку трансформатора подключен непосредственно к источнику питания, то статическая нагрузочная прямая пойдет практически вертикально (сопротивлением обмотки постоянному току пренебрегаем).

Следовательно, можно считать, что . При подаче входного сигнала с частотой, лежащей в пределах полосы пропускания усилителя, сопротивление в коллекторной цепи транзистора будет определяться приведенным к первичной обмотке (без учета потерь в трансформаторе) сопротивлением нагрузки усилителя , где — коэффициент трансформации; число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Рис. 3.11.

Тогда линия нагрузки по переменному току будет отсекать на оси абсцисс (рис. 3.11) отрезок , а на оси ординат — отрезок .

Максимальное напряжение на коллекторе транзистора получается больше напряжения источника питания, что объясняется свойством трансформатора записать электромагнитную энергию.

Поэтому при работе усилителя с выходным трансформатором тип транзистора следует выбирать, учитывая соотношение .

Максимальный КПД каскада определяется из выражения (3.9), т. е.

Максимальная амплитуда выходного напряжения может лишь приближаться к значению , на практике оставаясь всегда меньше , так как ограничивается допустимыми нелинейными искажениями. Таким образом, КПД усилителя мощности (рис. 3.10), работающего в режиме класса, выше КПД каскада ОЭ с резистором в коллекторной цепи, однако не превышает 50%. Значение , близкое к 50%, можно получить, выбрав оптимальное приведенное сопротивление нагрузки . Тогда .

Если , то имеем неполное использование тока коллектора , так как динамическая нагрузочная прямая пойдет положе, чем соответствующая . При малых значениях динамическая нагрузочная прямая проходит круто к оси абсцисс по сравнению с прямой, соответствующей Тогда максимальная амплитуда напряжения (рис. 3.11).

Поскольку сопротивление нагрузки определяется назначением усилителя и бывает задано, коэффициент трансформации выходного трансформатора, при котором выполняется согласование , и выходного сопротивления каскада следует рассчитывать по формуле

При выбранных

тогда

Максимальное значение мощности в нагрузке ограничивается мощностью рассеивания на коллекторе транзистора, которая определяется по формуле

где — КПД трансформатора.

Очевидно, максимальная мощность На коллекторе рассеивается в режиме покоя при , т. е.

Так как , то выражение (3.11) можно Записать как

или

т. е. заданное значение мощности в нагрузке не должно превышать Максимального значения мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора, умноженного на КПД усилителя.

Положив, что соответствует допустимому значению мощности, рассеиваемой на коллекторе , на основании (3.12) получим условие надежной работы транзистора

Мощность — табличная величина, определяемая по справочникам.

Режим класса В. При работе транзистора в режиме класса В постоянное напряжение смещения на базе транзистора отсутствует и рабочая точка покоя О лежит в области небольших токов коллектора , которыми в случае кремниевых транзисторов, можно пренебречь.

Рис. 3.12.

Поэтому в режиме класса В ток через усилительный элемент при действии переменного входного сигнала протекает только в течение половины периода, т. е. усилительный элемент работает с отсечкой тока (рис. 3.12). Угол, соответствующий половине временного интервала, в течение которого ток протекает через усилительный элемент, называется углом отсечки тока 0. Следовательно, в режиме класса В угол отсечки составляет 90°.

Рис. 3.13.

Каскады, представленные на рис. 3.2, 3.10, называются однотактными, т. е. выходной сигнал формируется с помощью одного усилительного элемента. В однотактных схемах при работе с отсечкой тока выходной сигнал резко отличается по форме от синусоидального входного сигнала (рис. 3.12), возникают большие нелинейные искажения. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала и уменьшения нелинейных искажений используются двухтактные схемы, состоящие из двух однотактных каскадов (плеч), объединенных таким образом, чтобы за время, равное периоду входного сигнала, транзисторы, имеющие общую нагрузку , работали поочередно в течение одного полупериода.

Такая работа транзисторов схемы обеспечивается при путем подачи на их базы одновременно двух равных по амплитуде, но сдвинутых по фазе на 180° друг относительно друга напряжений, которые называются парафазными.

В двухтактной схеме усилителя мощности, представленной на рис. 3.13 эти напряжения получаются с помощью входного трансформатора со средней точкой.

Работу двухтактного каскада усиления мощности в режиме класса В можно проиллюстрировать с помощью рис. 3.14. В отсутствие входного сигнала оба транзистора закрыты и можно считать, что .

Рис. 3.14.

При поступлении входного сигнала в течение полупериода работает один из транзистороа Рабочая точка перемещается по динамической нагрузочной прямой, которая имеет угол наклона к оси абсцисс, соответствующий пересчитанному к одному плечу сопротивлению нагрузки

где — коэффициент трансформации, — число витков первичной и вторичной обмоток выходного трансформатора.

Так как коллекторные токи транзисторов сдвинуты друг относительно друга на 180°, то форма тока и напряжения нагрузки получается близкой к синусоидальной. Тогда выходная мощность двухтактного каскада, как и для однотактного, будет определяться выражением

Мощность, потребляемая от источника питания обоими транзисторами,

где — среднее значение коллекторного тока одного транзистора за период выходного сигнала.

Следовательно, КПД двухтактного каскада определяется формулой

При отдаче в нагрузку максимальной мощности полностью используются коллекторный ток транзисторов и напряжение источника питания. Тогда максимальное значение КПД двухтактного каскада в режиме класса В близко к 78%, что в 1,5 раза больше максимального значения КПД однотактного каскада в режиме класса А.

Нелинейные искажения в двухтактном каскаде оценивают по третьей гармонике выходного тока. Вторые гармоники коллекторных токов транзисторов сдвинуты друг относительно друга на 360° и компенсируются на выходе, так как ток нагрузки определяется разностью коллекторных токов.

Таким обрззом, для двухтактного каскада

Количественная оценка нелинейных искажений в двухтактном каскаде производится, так же, как и в однотактном, способом трех или пяти ординат построением сквозной характеристики, представляющей для двухтактного каскада зависимость коллекторного тока одного транзистора от амплитуды входного напряжения, пересчитанного к одному плечу вторичной обмотки входного трансформатора

где — коэффициент трансформации входного трансформатора.

При построении сквозной характеристики необходимо пользоваться пересчитанным к обмотке внутренним сопротивлением источника входного сигнала

Активными сопротивлениями первичной обмотки и половины вторичной обмотки входного трансформатора можно пренебречь.

Определив по построенной сквозной характеристике (рис. 3.15) токи , соответствующие значениям , найдем

Подставив выражения для из (3.18) в формулу (3.17), Получим

С помощью формулы (3.19) рассчитывать с большой степенью точности можно лишь при условии подбора транзисторов с одинавыми параметрами.

Если параметры транзисторов имеют большой разброс, то четные гармоники компенсируются не полностью. Поэтому в схеме с неподобранными транзисторами коэффициент гармоник, рассчитанный по (3.19), следует увеличить в . Нелинейные искажения в режиме класса В (порядка 10%) выше, чем в режиме класса А, так как используется весь рабочий диапазон токов и напряжений транзистора. Особенно сильно искажается форма выходного напряжения в области малых значений (рис. 3.16), что объясняется нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора. Действительно, для появления тока базы надо подать входное напряжение большее порогового напряжения (рис. 3.17).

Рис. 3.15.

Режим класса АВ. Чтобы исключить искажения выходного сигнала в области малых значений в двухтактных усилителях мощности, применяют режим класса АВ, когда на базу транзисторов подается небольшое напряжение смещения , при котором рабочая точка занимает начальное положение О в нелинейной области входных характеристик, но через транзисторы в отсутствие входного сигнала протекает небольшой ток (рис. 3.17). При этом КПД схемы практически не изменяется по сравнению с классическим режимом класса В, но нелинейные искажения уменьшаются в несколько раз.

Рис. 3.16.

Рис. 3.17.

Режим класса С. Если подается напряжение смещения, запирающее усилительный элемент, то такой режим называется режимом класса С. Угол отсечки тока в режиме класса С меньше . Нелинейные искажения выше, а КПД больше, чем в режиме класса В.

Режим класса С применяется в основном в схемах резонансных усилителей, где нелинейные искажения, возникающие в результате отсечки тока, устраняются резонансным нагрузочным контуром настроенным на частоту входного сигнала.

В коммутационных схемах используется режим работы усилительного элемента класса Д (режим ДА—НЕТ), когда выходной ток периодически изменяется от нуля до максимального значения.

Классификация режимов работы полевого транзистора в схеме усилительного каскада осуществляется по тем же критериям, что и для биполярного транзистора. Режимы работы полевого транзистора определяются выбором рабочей точки покоя О на входной характеристике путем подачи постоянного напряжения смещения на вход каскада. Например, для схемы ОИ в режиме класса А напряжение смещения соответствует рабочей точке покоя О, лежащей в середине линейного участка входной характеристики , в режиме класса В напряжение смещения близко к напряжению отсечки тока транзистора.