Электроника 1.1 / Физические основы электроники

будем задавать дискретные значения напряжения U кэ: Uкэ1 , Uкэ2 , Uкэ3

и т. д., и для каждого этого значения напряжения вычислим предельно допустимое значение коллекторного тока Iк доп :

Iк доп1 Pк доп , Iк доп2 Pк доп и т. д.

Uкэ1 Uкэ2

Отложим эти значения напряжений и токов в осях координат (рис. 3.24) и построим по полученным точкам кривую, называемую ги-

перболой допустимых мощностей.

Эта кривая делит всю площадь первого квадранта семейства выходных характеристик на рабочую и нерабочую области. Если теперь совместить эту кривую с выходными характеристиками транзистора, то очевидно, что линия нагрузки не должна выходить за пределы рабочей области, чтобы не вывести транзистор из строя.

На рис. 3.24 заштрихована рабочая область семейства выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером.

Рис. 3.24. Гипербола допустимых мощностей

3.9. Расчет рабочего режима транзистора

Как уже было отмечено выше, в подавляющем большинстве случаев транзистор усиливает сигналы переменного тока, т. е. на вход транзистора подается чаще всего знакопеременный сигнал. Но поскольку эмиттерный р–n-переход обладает вентильными свойствами, то через него пройдет только положительная полуволна входного сигнала, а отрицательная полуволна будет им срезана и, следовательно, усиливаться

111

не будет. Для того чтобы этого не было, чтобы усилить весь сигнал, во входную цепь транзистора вводят так называемое смещение.

Смысл смещения ясен из рис. 3.25.

Eбэ

Eсм

t

Uвх

Рис. 3.25. Смещение усиливаемого сигнала

Знакопеременный входной сигнал U вх накладывается на постоянное напряжение смещения Eсм таким образом, что результирующее напряжение Uбэ остается однополярным и, следовательно, может быть

усилено транзистором. Поэтому принципиальная схема усилительного каскада в этом случае выглядит так, как представлено на рис. 3.26, а.

Источник напряжения смещения создает во входной цепи транзистора постоянный по величине ток смещения I см . Для того чтобы ис-

ключить влияние источника Eсм на источник входного сигнала, в цепь вводится разделительный конденсатор C1 , который пропускает пере-

менный входной сигнал, но создает развязку по постоянной составляющей. Для такой же цели служит выходной разделительный конденсатор C2 , который пропускает переменную составляющую выходного

напряжения и не пропускает его постоянную составляющую. Смещение может вводиться как при помощи отдельного источника

Есм (рис. 3.26, а), так и с использованием для этой цели источника коллекторного питания Eк . Это можно сделать при помощи делителя напряжения R1 и R2 (рис. 3.26, б). Ток Iд, протекающий по делителю напряжения R1 R2 под действием источника питания Eк , создает на резисторе R2 падение напряжения

котороедолжнобытьравнотребуемойвеличиненапряжениясмещенияEсм.

112

В этом случае ток, протекающий по цепи ( Eк; эмиттер – база транзистора; Rб ; Eк ), должен быть равен току смещения

Такой способ называется смещение фиксированным током.

3.10. Динамические характеристики транзистора

Характеристики транзистора, когда в его выходную цепь включают различные виды нагрузок, называют динамическими, а режимы, возни-

кающие при этом, – динамическими режимами.

Рассмотрим работу транзисторного усилительного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 3.27). Если входной сигнал отсутствует (uвх 0 ), линия нагрузки может быть построена описанным ранее

Рис. 3.27. Схема усилительного каскада

Для того чтобы искажения усиливаемого сигнала были минимальными, смещение надо выбрать так, чтобы начальная рабочая точка (при отсутствии входного сигнала) располагалась в середине линейного участка входной характеристики (точка A на рис. 3.28, б).

114

Тогда при изменении входного сигнала напряжение Uбэ будет изменяться на величину U бэ max от начального значения U бэ 0 , вызывая изменение базового на величину Iб max от начального значения Iб0

(рис. 3.28, б). Коллекторный ток при этом будет изменяться относительно начального коллекторного тока Iк0 (рис. 3.28, б), соответствую-

щего базовому току Iсм, в сторону увеличения и в сторону уменьшения на величину амплитуды переменной составляющей Iк max . Выходное напряжение uвых при этом будет тоже изменяться от начального значения Uкэ0 в большую и в меньшую сторону на величину амплитуды своей переменной составляющей Uкэ max .

115

Рис. 3.29. Динамические характеристики транзистора

Отметим, что в рассматриваемой схеме увеличению входного сигнала соответствует увеличение базового тока, а следовательно, и коллекторного тока, а выходное напряжение uвых при этом уменьшается.

Из чего следует, что в этой схеме входное и выходное напряжения изменяются в противофазе. Переменная составляющая выходного напряжения проходит через разделительный конденсатор C2 и выделяется на

нагрузке Rн . В качестве нагрузки может служить и входное сопротив-

ление следующего каскада усиления, а характер нагрузки в общем случае может быть различным. По переменному току нагрузка усилительного каскада Rн состоит из параллельно включенных сопротивлений

Rк и Rн (рис. 3.28):

116

а по постоянному току – только Rк . Поэтому и линия нагрузки по постоянной и переменной составляющим будет проходить по-разному.

следовательно, линия нагрузки пойдет круче.

Рассмотренные зависимости можно расположить на одном рисунке так, что в первом квадранте поместить выходные характеристики транзистора с построенной линией нагрузки, а в третьем квадранте – входные характеристики (рис. 3.29). Тогда, используя точки пересечения линии нагрузки по переменному току с выходными характеристиками и входные характеристики транзистора, строим характеристику управ-

ления Iк f Iб транзистора по переменному току, которая теперь, при работе с нагрузкой, называется динамической.

3.11. Режимы работы усилительных каскадов

Поскольку характеристики транзистора существенно нелинейны, то в процессе усиления входного сигнала имеют место искажения, которые называют нелинейными. Величина искажений в большой степени зависит от выбора начальной рабочей точки на линии нагрузки и от амплитуды входного сигнала. В зависимости от этого различают следующие основные режимы работы усилителя:

режим класса A ;

режим класса B ;

режим класса AB ;

режим класса C;

режим класса D .

Количественно режим работы усилителя характеризуется углом отсечки θ – половиной той части периода входного сигнала, в течение которого в выходной цепи транзистора протекает ток нагрузки. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.

3.11.1. Режим класса А

Режим класса А характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а следовательно и характеристики передачи по

току Iк f Iб . Амплитуда входного сигнала здесь такова, что сум-

117

Рис. 3.30. Усиление в режиме класса А

Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол от-

сечки θ равен 180 . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока Iк0 КПД такого усилителя низкий (теоретически не

более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.

3.11.2. Режим класса В

Режим данного класса характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале характеристики передачи по току Iк f Iб ,

рис. 3.31.

Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, т. к. его рабочая точка будет находиться в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше

118

(составляет 60…70 %), чем в режиме класса А, т. к. начальный коллекторный ток Iк0 здесь равен нулю. Угол отсечки θ равен 90°. Однако

у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений (колоколообразные искажения), вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.

Для того чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме.

uвх

A

iб

Uбэ

Рис. 3.31. Усиление в режиме класса В

Рис. 3.32. Двухтактная схема класса В с симметричным источником питания

На рис. 3.32 представлена схема двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах противоположного типа, но с идентичными па-

119

раметрами, образующих так называемую комплементарную пару. Для питания коллекторной цепи используется два одинаковых источника питания – Eк1 и Eк2 , которые создают обратное включение коллектор-

ных переходов. Резисторы R1 и R2 одинаковы, при uвх 0 они фикси-

руют потенциал баз транзисторов, равный потенциалу корпуса.

Режим класса В обычно используют преимущественно в мощных двухтактных усилителях, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим класса AB.

3.11.3. Режим класса АВ

Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала.

Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов

(рис. 3.33).

При отсутствии входного сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, составляющий 10…15 % от максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в этом случае составляет 120…130°.

120