18.5. Рабочая точка. Принцип работы усилителя

Принцип работы усилителя рассмотрим на примере усилительного каскада (см. рис. 18.8, а). В отсутствие усиливаемого сигнала при подаче на эмиттерный и коллекторный переходы напряжения смещения в цепях транзистора проходят постоянные токиво. входной цепи ив ….выходной, а на входных и выходных зажимах (нуль в индексах величин означает, что рассматривается режим по постоянному току) устанавливаются соответственно напряженияравное напряжению смещения на эмиттерном переходе, иопределяемое э. д. с. источника питанияи сопротивлением резисторав соответствии с уравнением (18.23).

Как было сказано ранее, эти значения токов и напряжений опреде­ляют положение точки на статических характеристиках, которую назы­вают начальной рабочей точкой.

Если на вход усилителя подается сигнал, например синусоидальной формы [графикu_с =f(t) на рис. 18.10, а], то он алгебраически суммируется с постоянным напряжением смещения на эмиттерном переходе и рабочая точка А перемещается между точками В и С.

В отрицательные полупериоды напряжение сигнала складывается с отрицательным напряжением смещения, напряжение смещения базы увеличивается, в результате чего увеличивается ток базы и коллекторный ток и рабочая точка плавно перемещается из положения А и А' соответственно в положение С и С'. В положительные полупериоды напряжение сигнала, складываясь с отрицательным напряжением сме­щения, снижает напряжение смещения базы, поэтому токи базы и кол­лектора уменьшаются, а рабочая точка плавно перемещается в поло­жение В и В'. На выходной характеристике соответственно С" и В". Токи иизменяются в фазе с изменениями мгновенного зна­чения суммарного напряженияВ цепи источник э. д. с. сме­щения — коллекторный переход проходит пульсирующий ток, состоя­щий из постояннойи переменнойсоставляющих тока такой же формы, как и входной сигнал. Переменная составляющая тока создаст на резисторепадение напряжения, амплитуда которогоравна амплитуде выходного сигналаПри этом напряжение на резисторе изменяется синфазно, а выходное напряжение находится в противофазе с напряжением сигнала (рис. 18.10, в). При большом сопротивленииамплитуда выходного сигналаU_выхm значительно больше амплитуды напряжения сигнала U_cm (напряжение сигнала порядка десятка милли­вольт, ток - десятка микроампер, а выходное напряжение порядка нескольких вольт, ток — нескольких миллиампер). Таким образом, в при­боре происходит усиление как напряжения, так и тока сигнала, а сле­довательно, и мощности.

К, п. д. усилителя равен отношению мощности сигнала на выходе к мощности, потребляемой активным элементом от источника питанияВ рассмотренном случае

где — соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Так как мощность, потребляемая усилителем,то к. п. д. усилителя

(18.24)

причем, поскольку к. п. д. усилителя (по схеме с ОЭ) меньше 50%.

В реальных схемах усилителей содержится кроме резистораеще ряд пассивных элементов.

18.6. Режимы работы усилительных каскадов

Для того чтобы форма переменной составляющей тока на выходе усилителя совпадала с формой подаваемого на вход сигнала, зависи­мость между ними должна быть линейной. Поскольку транзистор явля­ется нелинейным элементом, возможно искажение сигнала. Наличие или отсутствие искажения зависит как от амплитуды сигнала, так и от выбора положения начальной рабочей точки на нагрузочной линии. Выбор положения начальной рабочей точки влияет также на к. п. д. усилителя. В момент, когда сигнал отсутствует, вся энергия источников питания идет только на нагрев p-n-переходов, т. е. тратится бесполезно. Если начальная рабочая точка лежит на середине прямолинейного участка, а амплитуда сигнала такова, что рабочая точка, перемещаясь, не выходит за пределы прямолинейного участка входной характеристи­ки, то искажения сигнала не происходит. К. п. д. в этом случае меньше 50%

В зависимости от положения начальной рабочей точки на характе­ристиках активных элементов и амплитуды усиливаемого сигнала раз­личают три основных режима работы усилительного каскада: А, В и С.

Режимы работы активных элементов часто называют классами уси­ления. Количественно режимы усиления для синусоидального сигнала характеризуют углом отсечки θ — половиной той части периода, в те­чение которой через выходную цепь активного элемента проходит ток. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.

Режим А. В этом режиме начальная рабочая точка А находится примерно в середине линейной части проходной характеристики I_k = f(U_Б) , а амплитуда сигнала такова, что, как видно из рис. 18.11, ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. Угол отсечки θ равен 180°. (Отметим, что характеристики даны для усилителя с транзистором типа p-n-р по схеме с ОЭ.)

Транзистор работает в активном режиме. Рабочая точка А, переме­щаясь по нагрузочной линии, не выходит за пределы точек 1 и 2 на нагрузочной линии (см. рис. 18.10, в, точка А). При работе ниже точки 2 транзистор переходит из активного режима в режим отсечки, а при работе выше точки 1 — в режим насыщения. Из-за большого тока покоя к. п. д. в этом режиме низкий, менее 50 %. Это основной недостаток рассматриваемого режима. В режиме А активный элемент рабо­тает почти без искажений, а форма выходного сигнала соответствует форме входного. Режим А используют в основном в каскадах пред­варительного усиления.

Режим В. Начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики (рис. 18.12). Ток коллектора проходит через активный элемент лишь в тече­ние отрицательного (для транзистора типа р-n-р) полупериода входного напряжения, во время же другого полупериода тока нет, т. е. активный элемент «заперт», рабочая точка А находится ниже точки 2 на нагрузочной ли­нии — в области отсеч­ки (см. рис. 18.10, в, точка А). Угол отсечки θ составляет 90°. К. п. д. каскада, работающего в режиме В, значи­тельно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал.

В режиме В усилитель имеет высокий к. п. д. (до 80 %), однако усиливается только один полупериод входного сигнала. Кроме того, сигнал сильно искажается.

Для усиления сигнала в течение всего периода используют двух­тактные схемы, когда одно плечо схемы работает в положительный полупериод, а другое — в отрицательный. В режиме В (так как к. п. д. высок) работают каскады мощного усиления (выходная мощность от 10 Вт и более).

Режим С. В режиме С начальная рабочая точка А располагается правее начальной точки проходной характеристики (рис. 18.13). Угол θ менее 90°. В отсутствие сигнала ток через активный элемент не про­ходит — элемент полностью «заперт». При подаче сигнала ток коллек­тора проходит в течение времени, меньшем отрицательного полупе­риода напряжения входного сигнала, причем искажение сигнала боль­шее, чем в режиме В. К. п. д. каскада, работающего в режиме С, выше, чем в режиме В, так как ток покоя отсутствует. Режим С применяют в мощных резонансных усилителях.

Режим D. Иначе этот режим называют ключевым. Активный элемент в этом режиме работы усилителя находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. В первом случае ток через активный элемент равен нулю, во втором — равно нулю падение напряжения между выходными зажимами. К. п. д. в этом режиме выше, чем в ре­жиме С (он близок к единице), потери энергии малы. Этот режим используют только для усиления прямоугольных сигналов.