Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

2.1.3. Усилитель об

Принципиальная и эквивалентная схема по переменному току усилителя ОБ изображены на рис. 2.1.5.

Р ис. 2.1.5. Усилитель ОБ

Р асчет сопротивлений резисторов (после выбора режима работы каскада). Если выполнить соотношение

(2.1.19)

то получим эквивалентную схему для средних частот (рис. 2.1.6).

Рис. 2.1.6. Эквивалентная схема усилителя ОБ для средних частот

Применив упрощения, которые были использованы при расчетах предшествующих схем, получим:

,

(2.1.20)

Входное сопротивление каскада определяется выражением. Входящее в него входное сопротивление транзистора

(2.1.21)

значительно меньше сопротивления резисторов делителя в цепи базы (rэ Rб1 и rэ Rб2). Эквивалентное сопротивление нагрузки Rн экв определяется параллельным соединением Rк и Rн. Поэтому, если rэ Rк и rэ Rк вх, то усилитель ОБ будет обладать очень большим коэффициентом усиления по напряжению:

(2.1.22)

Учитывая большое сопротивление дифференциального резистора обратно смещённого коллекторного перехода для входного сопротивления каскада имеем: .

2.1.4. Понятие о классах усиления усилительных каскадов

Режим работы усилителя определяется начальным положением рабочей точки (точки покоя) на сквозной динамической характеристике усилительного элемента, т.е. на зависимости выходного тока усилительного элемента от ЭДС (напряжения) входного сигнала. Вид типичной сквозной динамической характеристики показан на рис. 2.1.7.

Рис. 2.1.7. Сквозная характеристика усилительного каскада

В усилителях используется несколько принципиально различных режимов его работы, называемых классами усиления. Для обозначения различных классов усиления употребляют прописные латинские буквы. Различают пять основных режимов работы усилительного элемента – А, В, АВ, С и D. Рассмотрим их подробнее.

В режиме А рабочая точка (обозначена точкой РА на сквозной характеристике рис. 2.1.7) выбирается на середине прямолинейного участка сквозной динамической характеристики. Возможно и иное расположение рабочей точки. Необходимо, чтобы амплитудные значения сигнала не выходили за пределы линейного участка сквозной характеристики. Выходной сигнал, в этом случае, практически повторяет форму входного сигнала при относительно небольшой величине последнего. Нелинейные искажения при этом минимальны. Ток в выходной цепи существует в течение всего периода входного сигнала. Среднее значение выходного тока велико по сравнению с амплитудой (или действующим значением) его переменной составляющей. Поэтому КПД усилительного каскада невысок – 20...30%ⁱⁱ. В связи с этим режим усиления А используют лишь в маломощных каскадах (предварительных усилителях), для которых, как правило, важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а значение КПД не играет существенной роли.

В режиме В рабочая точка выбирается так, чтобы ток через усилительный элемент протекал только в течение половины периода входного сигнала. Усилительный элемент работает с так называемой отсечкой. Углом отсечки принято называть половину той части периода, в течение которого проходит ток. При работе в режиме В угол отсечки   90° (π/2). Ток покоя оказывается равным нулю, но форма выходного тока из-за нижнего изгиба сквозной характеристики искажается относительно входного даже в пределах проводящего полупериода. В кривой тока появляются высшие гармоники, что приводит к увеличению нелинейных искажений по сравнению с режимом А. Среднее значение выходного тока уменьшается, в результате чего КПД усилителя достигает 60...70%.

В режиме С рабочая точка выбирается таким образом, чтобы угол отсечки оказался  < 90°. В этом режиме обеспечивается КПД до 80...85%. Однако высокий уровень линейных искажений существенно ограничивает применение его для усиления колебаний.

Существует промежуточный режим АВ, когда рабочая точка выбирается на сквозной характеристике ниже, чем в режиме А, и выше, чем в режиме В (но все же ближе к режиму В, в начале линейного участка). Поэтому и показатели этого режима имеют промежуточное значение между режимами А и В – КПД 40...50% при невысоком уровне нелинейных искажений.

В режимах АВ, В и С выходной ток имеет прерывистый характер. Поэтому для сохранения формы выходного сигнала обычно применяют двухтактные усилители, которые обеспечивают усиление как положительной, так и отрицательной полуволны входного сигнала. Особенности схемотехнического построения подобных каскадов будут рассмотрены дальше в разделе усилителей мощности. При резонансной нагрузке (например, высокодобротный резонансный контур радиопередатчиков) могут быть использованы и однотактные схемы. Наиболее часто в этом случае применяется режим класса С.

Во всех рассмотренных ранее режимах работы максимальный входной ток, а, следовательно, и входное напряжение ограничиваются величинами, соответствующими границе между активным режимом работы и режимом насыщения. Общим для всех рассмотренных режимов работы является также тот факт, что усиление входного сигнала сопровождается потерями мощности в транзисторе усилительного каскада. Абсолютная величина этих потерь для различных классов усиления различна, но они не могут быть сведены к нулю.

Существует только две области, для которых можно считать, что мощность, выделяющаяся в транзисторе, теоретически равна нулю. Это режимы отсечки и насыщения биполярного транзистора. В этих областях потери, существующие в транзисторе, определяются исключительно его собственными параметрами и не связаны с процессом усиления входного сигнала.

Класс усиления D, соответствует режиму работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме усилительный элемент (биполярный транзистор) может находиться или в состоянии включено (режим насыщения биполярного транзистора) или выключено (режим отсечки биполярного транзистора). КПД такого усилительного каскада близок к единице.

Для реализации данного режима работы входное напряжение должно принимать значение либо меньшее порогового напряжения Uбэ пор, либо большее Uвх мах, соответствующего границе активного режима работы и режима насыщения. Более подробно особенности построения усилительных каскадов, использующих режим класса D, будут рассмотрены в разделах, посвященных импульсной технике.

Следует отметить, что, строго говоря, КПД каскада, работающего в режиме класса D, только теоретически может быть равен единице. На практике в таких каскадах всегда присутствуют три составляющие потерь, природа которых кроется в неидеальности используемой элементной базы. Это потери в насыщенном состоянии, потери в режиме отсечки и потери на переключение, обусловленные движением рабочей точки на выходных характеристиках транзистора из отсечки в насыщение и обратно. Однако при правильном проектировании эти потери всегда меньше потерь в других классах усиления.

2.2. Методы стабилизации рабочей точки

Основные параметры каскада усиления по схеме с общим эмиттером сильно зависят от внешних возмущающих воздействий. К ним, в первую очередь, следует отнести изменение температуры окружающей среды, вызывающей, во-первых, изменение обратного тока коллекторного переход I_кб0, во-вторых, изменение напряжения эмиттерного перехода U_эб транзистора, и, в-третьих, изменение его коэффициента передачи тока h_21э, изменение напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки и т. п. Все эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и, следовательно, изменению выходного напряжения усилительного каскада.

Внешние возмущения, изменяя ток покоя транзистора I_кП, выводят усилитель из заданного режима работы. Это особенно опасно для режима усиления класса А, так как может вывести транзистор в нелинейную область его характеристик, что вызовет увеличение нелинейных искажений или вообще приведет к появлению одностороннего ограничения выходного сигнала при заходе рабочей точки в режимы насыщения или отсечки. По этой причине при проектировании транзисторных усилителей вопрос стабилизации точки покоя является одним из главных.

Существует три основных метода стабилизации режима работы транзисторного каскада: термокомпенсация; параметрическая стабилизация; введение цепей отрицательной обратной связи.

Метод термокомпенсации базируется на том, что внешними конструктивными и схемотехническими решениями стараются исключить воздействие на транзисторный каскад нежелательных возмущений.

Так, если основным возмущающим воздействием является изменение температуры окружающей среды, то наиболее чувствительные к этим воздействиям каскады усилителя могут быть конструктивно выделены в некоторый самостоятельный узел, в котором принудительно (вне зависимости от внешних условий) поддерживается неизменная температура, что и дало название методу. В эту же группу методов можно отнести питание наиболее подверженных воздействию каскадов стабилизированным напряжением или применение элементов со стабильными параметрами и т. п. Общим для всех этих методов, как это уже было отмечено, является исключение действия возмущений на транзисторный каскад, вызывающих недопустимые изменения его параметров

Метод параметрической стабилизации базируется на использовании в транзисторных каскадах специальных элементов, характеристики которых зависят от внешних возмущающих воздействий, причем изменения параметров этих элементов должны компенсировать изменения параметров транзисторного каскада. В качестве примера на рис. 2.3.4, а приведена схема транзисторного каскада, в которой для введения начального смещения рабочей точки используется внешний делитель на резисторах R_б1,R_б2 . Очевидно, что в данной схеме при увеличении температуры окружающей среды будет увеличиваться ток I_кП . Это обусловлено уменьшением напряжения U_эб вследствие сдвига входной характеристики транзистора влево и увеличением h_21э и I_{кб 0} . Поэтому при увеличении температуры, сохранение I_кП на неизменном уровне требует уменьшения начального смещения U_см . Для этого необходимо либо увеличивать сопротивление R_б1 , либо уменьшать сопротивление R_б2 . Возможно и одновременное изменение сопротивлений обоих резисторов. Если параметры изменения сопротивлений согласованы с изменениями параметров транзисторов, такое решение позволяет получить хорошую температурную стабильность каскада.

Р ис. 2.2.1. Параметрическая стабилизация режима покоя усилительного каскада с использованием терморезисторов (а) и дополнительного транзистора (б)

Во входном делителе могут быть использованы различные элементы, например, терморезисторы, либо другие полупроводниковые приборы. На рис. 2.2.1, б показано использование эмиттерного перехода дополнительного транзистора VТ_К в качестве такого элемента. Если параметры транзисторов VТ_К и VТ ₁ одинаковы, то такое решение позволяет полностью устранить изменение тока I_кП, вызванное изменением напряжения U_эб. Такое решение находит широкое применение при разработке аналоговых интегральных схем.

Общим для обоих рассмотренных методов является компенсация только одного из дестабилизирующих факторов. Так, решение, представленное на рис. 2.3.4, б не позволяет компенсировать изменение I_кП обусловленное изменением значения h_21э, а термостабилизация части каскадов не устраняет возмущений, вызванных изменением напряжения питания и т. п. К тому же при использовании параметрического метода трудно подобрать элементы, способные в широком диапазоне изменения внешних возмущений достаточно точно стабилизировать параметры транзисторного каскада, поэтому рассмотренные выше методы применяются как дополнительные, т. е. совместно с введением в каскад различных цепей обратной связи. Введение цепей обратной связи способно сильно изменять все параметры усилителя, причем, чем больше исходный коэффициент усиления, тем сильнее могут быть эти изменения.

Метод введения цепей обратной связи является универсальным методом стабилизации параметров не только одиночного транзисторного каскада, но и всего усилителя в целом. При правильном выборе он способен компенсировать влияние всех воздействующих на усилитель внешних возмущений. Для каскада, показанного на рис. 2.2.1, практическое применение нашло введение последовательной отрицательной обратной связи по току нагрузки и параллельной отрицательной обратной связи по выходному напряжению.