Режимы усиления выделены в несколько классов. Для усилителей

наиболее распространенными классами усиления являются классы А, В, С, Д. На рис. 2.10, б даны временные диаграммы коллекторного тока в режимах усиления класса «А» и «В». Форма коллекторного тока дает представление об уровне нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя в зависимости от класса усиления.

В режиме класса «А» форма коллекторного тока почти идеальная, то есть уровень нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя будет практически незаметен. Такая совершенная форма выходного тока возможна лишь в том случае, если рабочая точка задана на квазилинейном участке ВАХ (в данном случае это точка РТ₁): положение РТ выбирают так, чтобы амплитуда переменной составляющей выходного тока была меньше тока покоя. В режиме класса»А» ток через транзистор течет непрерывно в течение всего периода изменения входного сигнала. Для оценки времени протекания тока через транзистор вводится понятие угла отсечки коллекторного тока «q» - это половина интервала времени, в течение которого через транзистор течет ток. Угол отсечки коллекторного тока выражен обычно в градусах или радианах. В режиме класса «А» угол отсечки коллекторного тока q_А = 180^о. К недостатку рассмотренного режима следует отнести низкий коэффициент полезного действия (КПД < 0,5), так как в этом режиме велик коллекторный ток покоя I_кп. Из-за низкого КПД режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

В режиме класса «В» (на рис. 2.10, а - РТ₂ ) форма коллекторного тока далека от идеальной, то есть уровень нелинейных искажений, по сравнению с режимом класса «А», резко возрос. Но КПД усилителя достаточно высокий, так как ток покоя сильно уменьшился, поэтому режим класса «В» рекомендуется использовать в двухтактных выходных усилителях средней и большой мощности, надо отметить, что в чистом виде этот режим используется редко. Чаще в качестве рабочего режима используется промежуточный режим - режим класса «АВ» в котором меньше нелинейные искажения. Угол отсечки коллекторного тока в режиме класса «В» в идеальном случае q_В = 90 ^о, а в режимекласса «АВ» - < 90 ^о.

В режиме класса «С» ток покоя равен нулю, угол отсечки меньше, чем в режиме класса «В». Режим класса «С» рекомендуется использовать в

мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.

В режиме класса «Д» транзистор находится в двух устойчивых состояниях - открыт-закрыт, то есть режим класса «Д» - это ключевой режим.

 

 

Рис. 2.10. Режимы усиления класса «А» и В: а - передаточная ВАХ;
б - временные диаграммы коллекторного тока для режимов кл. «А» и кл. «В»; в - временные диаграммы входного напряжения при разных положениях РТ

В качестве усилителей мощности на биполярных транзисторах наибольшее распространение получили схемы с общим эмиттером, так как при таком включении схема обеспечивает усиление и по току и по напряжению. Хорошим усилением по напряжению обладает схема усилителя на транзисторе с ОБ. но она не усиливает по току. Схема усилителя на транзисторе с ОК лучше других усиливает по току, но усиления напряжения в ней нет. Рабочий режим транзистора в схемах с ОЭ и ОБ характеризуется включением нагрузки в цепь коллектора (рис. 2.11, а, рис. 2.12, а соответственно), а в схеме с ОК - в цепь эмиттера (рис. 2.12, б).

В зависимости от частотного диапазона характер нагрузки меняется; в диапазоне звуковых частот в качестве такой нагрузки используется обычный резистор, а в высокочастотном диапазоне - избирательная система, например, колебательный контур. В связи с этим различают: усилители звуковых частот (УЗЧ, прежнее название УНЧ) и усилители радиочастот (УРЧ, прежнее название УВЧ). На рис. 2.11, а, б, даны упрощенные схемы УЗЧ и УРЧ соответственно.

В схемах рис. 2.11, а, б: ГЗЧ - генератор напряжения звуковой частоты; ГРЧ - генератор напряжения радиочастот (высокой частоты).

	а) б)

 

Рис. 2.11. Схемы усилителей: а - усилитель звуковой частоты; б - усилитель радиочастот

2.8.4. Усилители напряжения звуковых и средних частот

Приведены анализ, сравнительная оценка схемам усилителей, способы подачи напряжения смещения в цепь базы, расчет элементов смещения и элементов температурной стабилизации положения РТ на ВАХ

Кроме схемы, данной на рис. 2.11, а, в электронике широко используются схемы усилителей на транзисторе с общей базой и общим коллектором (рис. 2.12, а, б соответственно).

На рис. 2.13, а дана схема одиночного каскада усилителя, выполненного также на транзисторе с ОЭ, но, в отличие от схемы
рис. 2.11, а, в ней используется другой метод подачи смещения в цепь базы.

 

 

	а) б)

 

Рис. 2.12. Схемы усилителей ЗЧ: а - с ОБ; б - с ОК

	а) б)

 

Рис. 2.13. Схема УЗЧ и его частотная характеристика а - схема усилителя; б - идеальная частотная характеристика усилителя

2.8.4.1. О назначении элементов в схемах уcилителей

на рис. 2.11, а; рис. 2.12, а, б; рис. 2.13, а

Генератор переменной ЭДС (ГЗЧ) на входе усилителя - напряжение этого генератора надо будет усиливать.

Разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2 предотвращают попадание постоянной составляющей на вход усилителя от генератора переменной эдс. Сопротивления этих конденсаторов на самой низкой частоте должно быть минимальным, чтобы не произошло «завала» частотной характеристики на низкой частоте (срезы частот на низкой и на высокой частотах на
рис. 2.13, б).

Е_к - напряжение источника питания;

С_б - конденсатор, блокирующий источник питания, предотвращает потери полезного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е _к.

Конденсатор С_э устраняет ООС по переменной составляющей тока, чтобы не происходило уменьшения коэффициента усиления.

Резисторы R_б1, R_б2, R_э - элементы смещения и температурнойстабилизации. Резистор R_к - нагрузка в коллектоной цепи.

 

2.8.4.2. Автоматическая подача напряжения смещения в цепь
базы и температурная стабилизация положения рабочей точки

 

Для нормальной работы усилительного каскада (отсутствие нелинейных, частотных искажений, влияние температурного фактора и пр.) необходимо обеспечить требуемый режим при отсутствии входного сигнала, то есть установить определенные токи и напряжения, значения которых зависят от схемного решения усилительного каскада и от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик.

Рабочая точка на ВАХ задается постоянными составляющими токов и напряжений в режиме покоя. Вопрос задания рабочей точки (РТ) решается двумя способами - она задается либо автономным независимым источником, либо автоматической подачей напряжения смещения в цепь базы. В реальных схемах усилителей отдается предпочтение второму способу, так как первый способ неэкономичен и особенно это заметно в многоступенных усилителях. В схемах рис. 2.11, а, 2.12, а, б, 2.13, а рабочая точка задается автоматической подачей напряжения смещения. В схемах усилителей на рис. 2.11 и 2.12, а рабочая точка задана методом фиксированного тока (через гасящий резистор R_б1), а в схемах на рис. 2.12, б и рис. 2.13, а - методом фиксированного напряжения (с помощью делителя напряжения из резисторов R_б1 и R_б2). При изменении температуры режим транзистора, как было отмечено выше, может измениться. Следовательно, важно не просто задать РТ на ВАХ, но надо еще и обеспечить ей температурную стабильность. Один из способов стабилизации положения РТ на ВАХ предложен в схеме рис. 2.13, а - в цепь эмиттера включен резистор R_э, на котором формируется напряжение обратной связи. Напряжение на резисторе R_э в цепи эмиттера (U_эп = I_эпR_э) - это напряжение отрицательной обратной связи (ООС ); при изменении температуры за счет изменения сквозного тока I_кэо изменяется ток коллектора, следовательно, изменяется и постоянная составляющая тока в цепи эмиттера I_эп, при этом меняется и падение напряжения U_эп на резисторе R_э. Следовательно, напряжение на базе уменьшается, ток базы уменьшается до заданного значения. Таким образом, напряжение на R_э изменяется пропорционально току коллектора, следовательно, в схеме усилителя действует ООС по току, которая и обеспечивает температурную стабилизацию РТ.

В параграфе 2.8.6 дана подробная информация об обратных связях в усилителях.

 

2.8.4.3. Расчет элементов смещения и температурной стабилизации

Сопротивление резистора смещения R_б1 в схеме рис. 2.11, а.

Резистор R_б1 и участок база-эмиттер транзистора образуют делитель напряжения в цепи источника Е_к..

(2.20)

Когда в схеме усилителя используется кремниевый транзистор, то напряжение, необходимое для отпирания эмиттерного перехода, составляет 0,6-0,9В. Обычное значение U_{бэ п} = 0,7 В. Если пренебречь значением U_{бэ п}, то станет ясно, что к резистору R_б1 прикладывается практически все напряжение источника Е_к, следовательно этот резистор имеет боьшое сопротивление и как бы фиксирует ток базы транзистора (поэтому метод назван методом фиксированного тока).

Сопротивление резистора смещения R_б1 в схеме рис. 2.12, а. Методика определения сопротивления R_б1 в схеме усилителя на транзисторе с ОБ точно такая же, как и в схеме рис. 2.11, а.

Сопротивления резисторов смещения R_б1 и R_б2 в схеме рис. 2.13, а.

Токи, протекающие через R_б1,- это сумма токов делителя и базы покоя

(I_д и I_бп). Эти токи должны быть взаимно независимыми, поэтому ток делителя берется значительно больше, чем ток базы покоя. В мощных каскадах усиления ток делителя берется больше тока базы покоя в 3-5 раз, а в случае маломощного усилителя - в 5-10 раз.

Рис. 2.14. Схема замещения участка входной цепи для определения сопротивления резистора R_б2

Через резистор R_б2 течет ток делителя. Напряжение U_б2 = I_дR_б2 на сопротивлении резистора R_б2 - это сумма напряжений U_{бэ п} и U_{э п}. Напряжение смещения U_{бэ п} получается в результате алгебраического сложения постоянных напряжений, которые формируются на резисторах R_б2 и R_э и которые между собой включены последовательно, но встречно
(рис. 2.14).

За счет большого тока делителя напряжение на резисторе R_б2 будет практически фиксированным (поэтому такой метод подачи напряжения смещения назван методом фиксированного напряжения).

И окончательно сопротивления резисторов R_б1 и R_б2

(2.21)

(2.22)

Сопротивление резистора в цепи эмиттера R_э (рис. 2.13, а)

(2.22а)

где I_эп = I_кп + I_бп - постоянная составляющая тока эмиттера.

Если в условии задачи не оговорено значение U_эп, то можно

ориентировочно принять

Сопротивление резистора R_к в цепи коллектора (рис. 2.13)

(2.23)

В режиме глубокого насыщения, когда напряжения на транзисторе становится практически равным нулю (U_кэ » 0,05 - 0,1), ток в цепи коллектора ограничивается только сопротивлением резистора R_к.