Режимы работы усилительных каскадов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Усилители электрических сигналов чаще всего выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на электронных лампах, туннельных диодах и других приборах, имеющих на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Независимо от типов активных электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи, в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи.

Этот режим работы называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Он характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепях начинает изменяться в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. Значение выходного сигнала обычно значительно больше входного сигнала. Когда рассматривают приращения токов или напряжений, вызванные входным сигналом, то говорят, что это режим работы по переменному току или режим малого сигнала.

Статический режим определяют в зависимости от значения входного сигнала, который необходимо усиливать.

В зависимости от постоянного тока и падения напряжения на активном приборе усилительного каскада, а также от значения входного усиливаемого сигнала принято различать следующие режимы работы: А; В; С; D; промежуточные режимы, например АВ.

Режим А – это режим работы активного прибора, при котором ток в выходной цепи i протекает в течение всего периода входного сигнала.

Положение рабочей точки выбирают так, что амплитуда переменной составляющей выходного тока Im, появившегося вследствие воздействия входного сигнала (рис. 3.1, а), в режиме А не может превышать ток покоя I0 (рис. 3.1, б). Ток через активный элемент протекает в течение всего периода изменения входного сигнала.

Преимуществом режима А является то, что при нем возникают малые нелинейные искажения. Однако КПД каскада η = Р~ /Р0 (Р~ – выходная мощность; Р0 – полная мощность, потребляемая каскадом) низкий – меньше 0,5. Режим А используют в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

Режим В – это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение половины входного сигнала. Этот промежуток времени принято характеризовать углом отсечки q. Угол отсечки выражается в угловых единицах (гра

дусах или радианах). Численно он равен половине временного интервала, в течение которого через активный прибор протекает электрический ток. При идеальном режиме В (рис. 3.1, в) q = π/2. Ток через активный элемент протекает в течение промежутка времени 2q. Из-за нелинейностей начальных участков характеристик активных приборов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, которая была бы, если бы активный прибор был линейным. Это вызывает значительные нелинейные искажения выходного сигнала.

Режим В обычно используют в двухтактных выходных каскадах, имеющих высокий КПД, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима выбирают промежуточный режим АВ.

В режиме АВ угол отсечки q несколько больше π/2, и при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает ток, равный 5 – 15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Такой выбор статического режима позволяет уменьшить нелинейные искажения при использовании двухтактных выходных каскадов. Режим С – это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т. е. при q EПИТ / (R1 + R2).

Все возможные значения токов и напряжений на нелинейном приборе лежат в точках пересечения его вольт-амперной характеристики с линией нагрузки по постоянному току. Нетрудно убедиться, что условие (3.1) выполняется во всех точках пересечения семейства вольт-амперных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Задавая различный управляющий сигнал на входе электронного прибора, меняют положение его рабочей точки и соответственно ток покоя и падение напряжения на компонентах цепи.

Построим линию нагрузки для усилительного каскада (рис. 3.2, б), используя семейство коллекторных вольтампер­ных характеристик транзистора для схемы с ОЭ (рис. 3.2, в). Рассмотрим два крайних случая. При сопротивлении транзистора, стремящемся к бесконечности, IК ® 0 и напряжение питания ЕК падает на транзисторе.

На графике получаем первую точку нагрузочной прямой, расположенную на оси UКЭ и соответствующую UКЭ = ЕК.

При нулевом сопротивлении транзистора UКЭ = 0. Напряже­ние питания падает на резисторах RК и RЭ. Ток в цепи IK = EK / (RK + RЭ). Это дает вторую точку нагрузочной прямой с координатами UКЭ = 0, IК.

Соединив полученные точки прямой линией, получим линию нагрузки по постоянному току. Все возможные токи и падения напряжения в данной цепи лежат в точках пересечения линии нагрузки по постоянному току с кривыми семейства вольт-амперных характеристик транзистора. Если, например, в цепи базы задан ток IБ3, то падение напряжения на транзисторе UKЭ 0 и его ток IК 0 будут определяться положением точки О. Если входной ток изменим до IБ2, то ток и падение напряжения на транзисторе будут определяться положением точки b и т. п.

Таким образом, положение рабочей точки нелинейного активного прибора однозначно определяется сигналом, поданным на его управляющий вход.

Усиление сигнала происходит за счет того, что изменения токов и напряжений в коллекторной цепи больше входного сигнала. Действительно, если входной сигнал изменит ток базы транзистора от начального значения IБ3 до IБ1, то ток коллектора изменится от IК 0 до IК а , а падение напряжения – от UKЭ 0 до UКЭ а. Эти изменения значительно больше сигнала, вызвавшего их.

Методика построения линии нагрузки не зависит от типа нелинейного прибора.

Рабочую точку U0, I0 в общем случае выбирают исходя из режима, в котором должен работать электронный прибор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения Um и связанного с ним тока Im.

Если усилительный каскад должен работать в режиме А, то при малом входном сигнале (несколько мВ) рабочую точку активного элемента выбирают исходя из соображений экономичности, а также получения от каскада требуемого усиления. Последнее обусловлено тем, что параметры электронных приборов, определяющие их усилительные свойства, зависят от положения рабочей точки.

Для биполярных и полевых транзисторов значения тока в точке покоя от 100 мкА до нескольких мА. В интегральных схемах транзисторы часто работают в так называемом микрорежиме, при котором их ток в точке покоя составляет несколько мкА.

При работе с большими сигналами рабочую точку выбирают так, чтобы обеспечивалось получение требуемого усиления сигнала при допустимых нелинейных искажениях и по воз­можности высоком КПД.

При этом для обеспечения работы активного элемента в режиме А как при большом, так и при малом входном сигнале необходимо, чтобы удовлетворялись неравенства U0 > Um и I0 > Im.

Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности, рассеиваемые на электронных приборах, не превышали предельно допустимых значений

В процессе выбора рабочей точки могут быть получены разные результаты. При этом нахождение параметров, близких к оптимальным, как правило, осуществляют с помощью метода проб и ошибок, в результате применения которого становится ясным, какие конкретные значения сопротивлений, напряжений и токов должен иметь каскад для удовлетворения требований, предъявляемых к нему.

Для примера рассмотрим выбор рабочей точки в каскадах с общим эмиттером и общим истоком (рис. 3.3, а, б).

При выборе рабочей точки на выходных характеристиках активного элемента сначала строят линию нагрузки по постоянному току. Для рассматриваемых каскадов при сопротивлениях транзисторов, равных бесконечности: а) IK = 0; UКЭ = EK; б) IС = 0; UСИ = —EС.

При нулевом сопротивлении транзисторов соответствующие токи и напряжения: а) UКЭ= 0; IK = EK / RK; б) UСИ = 0; IC = EС / (RC + RИ). Через полученные пары точек на выходных характеристиках проводят линии нагрузки.

Если значения тока оказываются большими и для построения линий нагрузки следует удлинить ось I, то можно применить другой метод. Учитывая, что тангенс угла наклона линии нагрузки (рис. 3.3, в, г) равен

и принимая во внимание масштабы токов и напряжений, из точки IK = 0; UКЭ = EK проводят линию под углом, тангенс которого равен (-l / RК), и получают ту же самую линию нагрузки.

На нагрузочной прямой для постоянного тока выбирают положение рабочей точки О. Если каскад предназначен для усиления малых сигналов, то рабочую точку берут на том участке, где изменения сигнала на управляющих электродах вызовут наибольшие изменения выходного тока. При этом стремятся обеспечить такой режим, чтобы мощность, потребляемая каскадом, была минимальной.

Если каскад работает при больших сигналах, то рабочую точку выбирают ориентировочно на середине прямолинейного участка так, чтобы выполнялись неравенства (3.2).

Через выбранную рабочую точку О проводят линию нагрузки по переменному току, которая в общем случае отличается от линии нагрузки по постоянному току и только при RH ® ¥ совпадает с ней.

Это обусловлено тем, что сопротивление, стоящее в выходной цепи транзистора RK, RC, шунтируется сопротивлением нагрузки RH, подключенным через конденсатор С2. Сопротивление конденсатора зависит от частоты XC = l / (jwC), поэтому результирующее сопротивление имеет разные значения для переменного и постоянного токов. При построении линии нагрузки по переменному току сопротивление конденсатора С2 считают равным нулю и через точку О проводят прямые линии, тангенс наклона которых равен

Если рабочая точка выбрана правильно, то при изменении выходного напряжения в пределах ± Um транзисторы находятся в активном режиме и рассеиваемая на них мощность не превышает допустимую. Это связано с тем, что динамическая нагрузочная прямая и линия допустимой мощности рассеяния не пересекаются. Напряжения питания Е меньше UKЭmax и UСИmax. Следовательно, параметры рабочей точки выбраны пра

вильно, и каскад будет обеспечивать амплитуду выходного напряжения Um на сопротивлении нагрузки RH.

При работе каскада в режиме В транзисторы и их рабочую точку выбирают из условия выполнения неравенств

После выбора положения рабочей точки находят параметры цепей, обеспечивающих требуемый статический режим работы.

Для получения необходимых напряжений и токов покоя между соответствующими электродами транзисторов задают определенные напряжения или токи, которые носят название напряжений или токов смещения. Для биполярных транзисторов задают электрические токи в цепях базы или эмиттера, для полевых – напряжение между затвором и истоком. Расчет параметров цепей смещения (цепей, обеспечивающих режим по постоянному току) можно проводить аналитически или графоаналитически в зависимости от типа электронного прибора и схемы усилительного каскада.

В большинстве практически встречающихся случаев цепи смещения усилительных каскадов на биполярных транзисторах можно рассчитывать с помощью схемы рис. 3.4, а. Различные варианты цепей смещения, применяемых на практике, приводятся к этой схеме с помощью эквивалентных преобразований. Покажем это на примере каскада (рис. 3.4, б), в котором смещение обеспечивается источником напряжения Еб и резисторами R1, R2.

Эквивалентная схема такого каскада показана на рис. 3.4, в. Для статического режима ее получают заменой активных приборов в принципиальной схеме на их эквивалентные схемы, причем в последних учитываются только те элементы и генераторы, которые необходимы для обеспечения этого режима. Из рис. 3.4, в видно, что ток базы IБ0 состоит из двух противоположно направленных составляющих и , которые вызваны напряжением Еб и ответвлением в цепь базы части коллекторного тока IK.

Приведем эквивалентную схему каскада к виду рис. 3.4, г, соответствующему схеме рис. 3.4, а. Для этого источник напряжения Е и делитель напряжения на резисторах Rl, R2 с помощью теоремы об эквивалентном генераторе заменим источником с внутренним сопротивлением Rб:

Такие эквивалентные преобразования не меняют токов и напряжений в цепях и существенно облегчают расчеты. Ток базы IБ0 найдем также с помощью теоремы об эквивалентном генераторе. Для этого из эквивалентной схемы (рис. 3.4, в) найдем напряжение U на концах разорванного провода, соединяющего Rб и (рис. 3.4, г), и внутреннее сопротивление R4 источника напряжения U:

R4 = RЭ + Rб.

Тогда ток в цепи базы

Коэффициент gБ показывает, какая часть тока IК ответвляется в цепь базы.

Преобразуем это уравнение, учитывая, что

После преобразований получим

Таким образом, зная параметры транзистора h21Э, IКЭО, UБЭ и некоторые параметры цепи каскада, можно определить недостающие параметры цепи, обеспечивающие требуемый ток покоя. Так как в выражение для коллекторного тока входят несколько независимых параметров, необходимый ток покоя IКО может быть получен при различных значениях параметров элементов цепи. Часть параметров обычно задается при проектировании. При этом учитываются требования, предъявляемые к усилительному каскаду, например к входному сопротивлению, температурной стабильности тока пок

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 КПД усилителя. В момент, когда сигнал отсутствует, вся энергия источников питания идет только на нагрев р-n-переходов. 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. КПД 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 – половиной той части периода, в течение которой через выходную цепь активного элемента проходит ток. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.

В режиме А начальная рабочая точка А находится примерно в середине линейной части проходной характеристики, а амплитуда сигнала такова, что, как видно из рис. 2.11, ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. Угол отсечки равен 180°. (Отметим, что характеристики даны для усилителя с транзистором типа р-n-р по схеме с ОЭ.)


Рис. 2.11. Режим А работы усилителя

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. 2.10, 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 КПД 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.

В режиме В начальная рабочая точка А лежит в начале проходной характеристики (рис. 2.12). 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. 2.10, в, точка А). Угол отсечки составляет 90°. КПД каскада, работающего в режиме В, значительно выше, чем для режима А, поскольку ток покоя мал.


Рис. 2.12. Режим В работы усилителя

В режиме В усилитель имеет высокий КПД (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 КПД высок) работают каскады мощного усиления (выходная мощность от 10 Вт и более).

В режиме С начальная рабочая точка А располагается правее начальной точки проходной характеристики (рис. 2.13). Угол 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. КПД каскада, работающего в режиме С, выше, чем в режиме В, так как ток покоя отсутствует. Режим С применяют в мощных резонансных усилителях.


Рис. 2.13. Режим С работы усилителя

Режим D 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. КПД в этом режиме выше, чем в режиме С (он близок к единице), потери энергии малы. Этот режим используют только для усиления прямоугольных сигналов.

В зависимости от положения рабочей точки а в режиме покоя на семействе выход­ных характеристик транзисторов и уровня входных сигналов (Uвх, Iвх) различают три основных режима (или класса) работы усилителей: А , В и С .

Класс А характеризуется тем, что рабочую точку а выбирают посередине участка bc линии нагрузки, а максимальное значение амплитуды переменной со­ставляющей входного тока (тока базы I j ) не приводит к увеличению тока коллектора К за пределы участка bc. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого сигнала будут минимальными, т. е. при подаче на вход синусоидального напряжения (тока) форма выходного напряжения U вых будет практически синусоидальной. Основной не­достаток этого класса усиления — очень низкий КПД

П = P 2 / Pn = UвыxIвыx / EnIn .

Для работы усилителя в режиме В рабочую точку а ' устанавливают на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики транзистора при Ijn = 0 . В этом режиме переменные составляющие тока I mx и напряжения U вых возникают лишь в по­ложительные полупериоды тока базы I j. При синусоидальном входном напряжении (токе) выходное напряжение Uk имеет форму полусинусоид, т. е. нелинейные искаже­ния очень большие. Этот режим часто используют в двухтактных усилителях мощно­сти. КПД усилителя, работающего в режиме В , может достигать 0,8.

Иногда используют режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами А и В . Его называют режимом АВ . В этом режиме КПД усилителя больше, чем в режиме А , а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В .

В режиме С рабочая точка выбирается за точкой отсечки а' и ток К (напряжение Uk) в транзисторе возникает только в течение некоторой части поло­жительной полуволны входного тока базы Iб . В этом режиме усиления возникают очень большие искажения усиливаемого напряжения (тока), но КПД уст­ройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С используют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колеба­тельных контуров или других частотно-зависимых звеньев выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения Uk.

В зависимости от функционального назначения усилителя и выбранного режима покоя каскада различают четыре основных режима работы усилителей.


Режим А— режим работы активного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирается так, что амплитуда переменной составляющей выходного токаIm в режимеAне может превышать ток покояI0.


Достоинством режима Aявляется то, что при нем возникают малые нелинейные искажения. Однако КПД каскада=


РежимBобычно используют в двухтактных выходных каскадах, имеющих высокий КПД, однако, в чистом виде его применяют сравнительно редко.

Чаще в качестве рабочего режима выбирают промежуточный режим AB. В режимеABугол отсечкинесколько больше 0,5, и при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает ток, равный 5 – 15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Такой выбор статического режима позволяет уменьшить нелинейные искажения при применении двухтактных выходных каскадов.


Режим С— это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, то есть при


Схема с отрицательной обратной связью по току.


В этой схеме положение точки покоя и коэффициент нестабильности зависят отRКиR1, то есть, задаваяS, изменяется положение точки покоя. В этом — недостаток схемы и ее ограниченное применение. Через сопротивлениеR1осуществляется обратная связь по полезному переменному сигналу.

Схема с отрицательной обратной связью по напряжению.


В этой схеме положение точки покоя и коэффициент нестабильности можно менять, независимо друг от друга. В этом — достоинство схемы. Коэффициент нестабильностиSможно сделать точно равным 1. ЧерезRЭосуществляется отрицательная обратная связь по полезному сигналу. Для ее исключения сопротивлениеRЭшунтируют конденсатором достаточно большой емкости на низких частотах.

Читайте также: