Функционирование каскада усиления сигнала

В общем случае на базе биполярного транзистора VT действуют два сигнала. Первый – управляющее напряжение u _Б.вх, которое может содержать как постоянную, так и переменную составляющие, и второй – постоянное напряжение U _Б, создаваемое делителем напряжения на резисторах R _Б1 и R _Б2 (см. рис. 5.1 a). Это напряжение определяет режим работы биполярного транзистора.

Будем полагать, что на входе усилителя действуют постоянное напряжение U _Б, обеспечивающее требуемый режим работы биполярного транзистора, и переменное управляющее напряжение u _вх (рис. 5.2а), т.е.

u _Б.вх = U _Б + u _вх.

Работу каскада рассмотрим с использованием входной и семейства выходных характеристик биполярного транзистора (рис. 5.2 б).

Если напряжение u _вх отсутствует (u _вх = 0), то напряжение U _Б создает в базовой цепи транзистора ток, называемый током базы покоя I _Б.пок. Этому току в выходной цепи транзистора соответствует коллекторный ток I _{K .пок} = h _21Э I _Б.пок. Опустив перпендикуляр из точки a выходной характеристики I _н (U _К) на ось абсцисс для тока I _н.пок с нагрузочной прямой, проведенной через точки U _п / R _н и U _п, получаем напряжения на нагрузке U _н.пок и на транзисторе U _К.пок (см. рис. 5.2 б).

Добавление напряжения u _вх изменяет ток базы транзистора от I _Б.min до I _Б.max. Соответственно будет изменяться ток нагрузки транзистора от I _н.min до I _н.max. При этом происходит перераспределение напряжения u _п между нагрузкой и транзистором.

Выходное напряжение на линейном участке харакреристики будет повторять форму входного напряжения. При этом фаза напряжения на нагрузке будет совпадать с фазой напряжения u _вх, а напряжение u _К будет в противофазе с ним, что соответствует данному ранее определению для последовательной и параллельной схем преобразователей сигналов.

Коэффициент усиления каскада можно определить из следующих соображений. Так как транзистор в усилительном режиме работает практически на линейном участке входной характеристики, то для изменения входного напряжения можно записать: Δ U _вх = r _вхΔ I _Б, где r _вх – дифференциальное входное сопротивление транзистора, которое можно получить из его входной характеристики. Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки соответственно будет равно:

Δ U _вых = R _нΔ I _К = h _21Э R _нΔ I _Б.

Тогда коэффициент усиления каскада по напряжению

Так как h _21Э >> 1 и обычно R _н > r _вх, то К _u >> 1.

Учитывая, что ток нагрузки превышает ток базы транзистора (I_К = h _21Э I _Б), то данная схема обеспечивает усиление входного сигнала как по напряжению, так и по току, следовательно, и усиление по мощности, что соответствует данному ранее определению электронного усилителя, собранного на транзисторе по схеме с ОЭ.

Определим КПД рассматриваемого каскада. Максимальная мощность в нагрузке

Мощность, отдаваемая источником питания Р _и = U _п I _н. Тогда КПД

Режимы усиления сиенала

Различают nять режимов усиления входного сигнала: А, В, АВ, С и D.

Режим усиления класса А – режим работы транзистора с ОЭ, при котором ток коллектора i _K транзистора протекает в течение всего периода действия входного переменного напряжения u _вх.

Рассмотренный в п. 2 режим работы каскада относят к режиму класса А. Он характеризуется тем, что постоянная составляющая входного напряжения U _Б превышает амплитуду U_{m .вх} входного напряжения u _вх.

Чтобы уменьшить нелинейные искажения напряжения u _вых, значение U _вх выбирают из условия U _вх ≥ U ₀ + U_{m .вх}, где напряжение U ₀ соответствует началу линейного участка входной характеристики транзистора (см. рис. 5.2 б). При этом КПД каскада меньше своего максимального теоретического значения 35%. Поэтому режим усиления класса А обычно используют во входных и промежуточных каскадах реального усилителя, мощность которых невелика. При увеличении выходной мощности вопрос повышения КПД усилителя выходит на первый план.

Режим усиления класса B – р ежим работы усилителя, при котором ток коллектора i _K протекает только половину периода действия входного напряжения u _вх.

Действенным методом увеличения КПД усилителя является снижение величины тока покоя I _K.пок   транзистора. В идеальном варианте этот ток может быть уменьшен до нуля, но это требует уменьшения до нуля входного постоянного напряжения U _вх

В этом случае максимальная амплитуда выходного напряжения может достигать величины напряжения питания (U_{m .вых} £ U _п), а КПД каскада увели­чивается в два раза:

Особенностью данного режима является усиление только одной (положительной) полуволны входного переменного напряжения. Поэтому для получения на выходе обеих полуволн напряжения необходим дополнительный каскад, что достигается переходом от последовательной или параллельной схем преобразователей сигналов к последовательно-параллельной схеме, питание которой осуществляется от двух источников питания разной полярности (рис. 5.1 в и рис. 5.3 б).

В этом каскаде положительная полуволна входного напряжения u _вх, усиливается транзистором VТ ₁ n – p – n –типа, отрицательная полуволна – транзистором VT ₂ p – n – p –типа (рис. 5.3 б).

При построении нагрузочной характеристики на семействе выходных характеристик использован метод опрокинутых характеристик, позволяющий совместить характеристики биполярных транзисторов разных типов с ВАХ нагрузочного резистора (см. рис. 5.3 б).

Режим усиления класса АВ  – режим усиления, при котором ток коллектора протекает больше половины периода действия входного переменного напряжения.

 Существенным недостатком режима усиления класса В являются значительные нелинейные искажения выходного сигнала из-за нелинейности начального участка входной характеристики I _Б (U _Б) биполярного транзистора. Устранить этот недостаток можно введением небольшого начального смещения U ₀, задающего незначительный ток покоя транзисторов, достаточный для работы каждого из транзисторов на линейном участке его входной характеристики.

Введение начального смещения несколько снижает КПД каскада. Однако он все равно остается значительно выше, чем в усилителе класса А. Поэтому последовательно–параллельная схема находит практическое применение в выходных каскадах усилителя. Такую схему часто называют двухтактной схемой усиления.

Режим усиления класса С – режим усиления, при котором ток коллектора протекает меньше половины периода действия входного переменного напряжения.  

Если напряжение U _Б выбрать отрицательным, то в каскаде (см. рис. 5.1 а) ток коллектора i _К будет протекать меньше половины периода. Такой режим применяют, например, в выходных каскадах передатчиков, когда нагрузкой является колебательный контур, в котором необходимо поддерживать незатухающие колебания заданной частоты.

Режим усиления класса D – режим работы каскада, при котором ток коллектора принимает либо максимально возможное, либо нулевое значение.

Возможная область работы транзистора на его выходных характеристиках ограничивается точками b и c (см. рис. 5.3 б). Эти точки соответствуют режимам насыщения (точка b с координатами I _н = U _п/ R _н, U _К ≈ 0) и отсечки (точка c с координатами I _н = 0, U _К ≈ U _п и характеризуются минимальными потерями в транзисторе.

Если транзистор в процессе работы может находиться только в режимах насыщения или отсечки, то на нагрузке формируется последовательность прямоугольных импульсов, амплитуда которых приближенно равна напряжению питания U _п. Транзистор используется в качестве ключа, замыкающего и размыкающего цепь питания нагрузки. Поэтому КПД такого усилителя близок к единице (~ 100%).