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 токи
во. входной цепи и
в ….выходной, а на входных и выходных зажимах (нуль в индексах величин означает, что рассматривается режим по постоянному току) устанавливаются соответственно напряжения
равное напряжению смещения на эмиттерном переходе, и
определяемое э. д. с. источника питания
и сопротивлением резистора
в 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 [графикuс =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
и
изменяются в фазе с изменениями мгновенного значения суммарного напряжения
В цепи источник э. д. с. смещения — коллекторный переход проходит пульсирующий ток, состоящий из постоянной
и переменной
составляющих тока такой же формы, как и входной сигнал. Переменная составляющая тока создаст на резисторе
падение напряжения, амплитуда которого
равна амплитуде выходного сигнала
При этом напряжение на резисторе изменяется синфазно, а выходное напряжение находится в противофазе с напряжением сигнала (рис. 18.10, в). При большом сопротивлении
амплитуда выходного сигналаUвыхm значительно больше амплитуды напряжения сигнала Ucm (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 питания
В 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 Ik = f(UБ) , 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.
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 токи
во. входной цепи и
в ….выходной, а на входных и выходных зажимах (нуль в индексах величин означает, что рассматривается режим по постоянному току) устанавливаются соответственно напряжения
равное напряжению смещения на эмиттерном переходе, и
определяемое э. д. с. источника питания
и сопротивлением резистора
в 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 [графикuс =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
и
изменяются в фазе с изменениями мгновенного значения суммарного напряжения
В цепи источник э. д. с. смещения — коллекторный переход проходит пульсирующий ток, состоящий из постоянной
и переменной
составляющих тока такой же формы, как и входной сигнал. Переменная составляющая тока создаст на резисторе
падение напряжения, амплитуда которого
равна амплитуде выходного сигнала
При этом напряжение на резисторе изменяется синфазно, а выходное напряжение находится в противофазе с напряжением сигнала (рис. 18.10, в). При большом сопротивлении
амплитуда выходного сигналаUвыхm значительно больше амплитуды напряжения сигнала Ucm (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 питания
В 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 Ik = f(UБ) , 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.
16.Понятие рабочей точки транзистора в усилительном каскаде, режимы усиления и классы работы транзистора в усилительном каскаде (режим а,в,с) характерные осциллограммы сигналов в каждом из режимов.
Удобным приемом для описания процессов в усилительных цепях является понятие рабочей точки, которая определяется как точка на графике или диаграмме, соответствующая существующим в данный момент величинам напряжений и токов в цепи. Например, для рассматриваемой цепи – рис.5.4а Еп=15 В, U1=-1.5 В рабочая точка будет находится в координатах U3=12 B, I3=1 mA – на графике рис.5.4.б, или в координатах U1=-1.5 B, U3=12B yна графике рис.5.4в. Если величина напряжения на входном электроде – U1 не изменяется во времени, рабочая точка на графиках также не изменяет своего положения. Однако, при усилении сигнала, напряжение которого изменяется во времени, происходит изменение U1, вызывающее движение рабочей точки по линии графика. Если это график зависимости U3 от U1 (рис.5.4в), то движение рабочей точки по горизонтали будет соответствовать изменениям U1, а по вертикали – изменениям U3.
В зависимости от участка графика U3=f(U1), покрываемого рабочей точкой в процессе усиления сигнала, выделяется несколько т.н. классов усиления, называемы также режимами работы усилительного каскада.

К ласс А – режим линейного усиления реализуется тогда, когда рабочая точка в процессе усиления сигнала не выходит за пределы участка активного режима. Если напряжение –U1 на входе усилителя класса А изменяется по синусоидальному закону, то напряжение на выходном электроде транзистора – U3 будет изменяться по почти синусоидальному закону. Это обусловлено почти линейным характером зависимости U3=f(U1) в пределах участка активного режима (см. рис.5.5).
Класс В – представляет собой режим, при котором рабочая точка движется в пределах участков отсечки тока и активного режима, заходя в них одинаково по горизонтали. Поскольку одинаковость горизонтальных составляющих участков активного режима и отсечки тока на практике обеспечить невозможно, чистый режим класса В трудно реализуем.
Класс С отличается от класса В тем, что при усилении сигнала рабочая точка заходит в область отсечки тока (по горизонтали) больше чем в область активного режима.
17.Усиление класса А, линейный режим, начальное положение рабочей точки транзистора необходимость смещения рабочей точки и сдвига напряжения выходного сигнала, схема усилительного каскада с источниками смещения и сдвига. Расчет режима транзистора по постоянному току при заданных величинах Rн и Um.
Усилительный каскад в режиме класса А.
Смещение рабочей точки транзистора в усилительном каскаде.
Для реализации нужного режима работы усилительного каскада необходимо чтобы напряжение на управляющем электроде изменялось в пределах заданного диапазона. Напряжение усиливаемого сигнала, как правило, изменяется в совершенно другом диапазоне. Поэтому к входному электроду транзистора подводится сумма напряжений усиливаемого сигнала и постоянного напряжения, смещающего сигнальное напряжение в нужный диапазон (рис.6.1). Это постоянное напряжение, добавляемое к напряжению усиливаемого сигнала, называется напряжением смещения рабочей точки.

А налогичная ситуация возникает на выходном электроде транзистора, когда диапазон изменений напряжения u3 не совпадает с требуемым для приемника усиленного сигнала (Rн). В этом случае Rн необходимо подключать к выходному электроду транзистора последовательно с источником еще одного постоянного напряжения, называемого напряжением сдвига. На рис.6.1. показана схема усилительного каскада, дополненная источниками напряжений смещения – Uсмещ и сдвига – Uсдв.
Показанный на рис.6.1. способ смещения рабочей точки и сдвига выходного напряжения в усилительном каскаде имеет больше теоретическое, чем практическое значение. При построении усилителей напряжения смещения и сдвига вырабатываются из напряжения источника питания с помощью вспомогательных цепей, которые будут рассмотрены ниже.
Начальное положение рабочей точки – это положение, соответствующее нулевому напряжению усиливаемого сигнала (uвх=0). Напряжения на электродах транзистора и токи электродов, соответствующие начальному положению рабочей точки, обозначаются нулевыми индексами: U10, U30, I30 и характеризуют т.н. режим транзистора по постоянному току. Как видно из рис.6.1, U10= Uсмещ. Часто напряжение сдвига выходного напряжения выбирается равным U30. В этом случае нулевому напряжению усиливаемого сигнала (uвх=0) будет соответствовать нулевая величина напряжения выходного сигнала (uвых=0).
Параметры режима транзистора по постоянному току легко измеряются с помощью простейшего измерительного прибора – вольтметра постоянного напряжения. Обычно измерение тока I30 осуществляется измерением падения напряжения на балластном резисторе (R3) и делением измеренного значения на величину R3.
Построение линейных усилителей. Для линейного усиления (класса А) необходимо обеспечить активный режим транзистора во всем диапазоне изменений напряжения выходного сигнала усилителя. Это обеспечивается соответствующим выбором величин режима по постоянному току — – U30, I30. Для расчета U30, I30 должны быть заданы максимальные амплитуды напряжения и тока выходного ого сигнала усилителя – Umвых, Imвых. При известном сопротивлении приемника усиленного сигнала – Rн связь между этими величинами очевидна: Umвых=Imвых*Rн.
Определение необходимых величин U30, I30 вытекает из рис.5.5а. Для того, чтобы рабочая точка не заходила в область насыщения транзистора и в область отсечки тока должны выполняться два условия:
Где ImR3= Umвых/R3 – амплитуда сигнального тока через балластный резистор. Вместе с данными неравенствами всегда выполняется соотношение (5.1)
которое является третьим уравнением системы условий.
Заметим, что перечисленные три условия не позволяют однозначно определить четыре неизвестные величины: Еп, R3, U30, I30.Одна из них: Еп или R3 определяется другим условием.
Пример. Определить требуемое начальное положение рабочей точки – U30, I30, транзистора в линейном усилителе сигнала приемной ТВ антенны, а также величину балластного резистора – R3. Исходные данные: сопротивление нагрузки усилителя Rн=50 Ом (ТВ кабель), амплитуда напряжения выходного сигнала Umвых – до 3 В, напряжение питания Еп=12 В. Используется биполярный транзистор КТ607, напряжение насыщения которого не превышает 1 В.
Условие не вхождения в режим насыщения транзистора — U30>Umвых+Uнас сразу дает U30>3 В +1 В =4 В. Возьмем U30=5 В.
Из уравнения I30R3+U30=Еп выразим R3 и подставим в условие не вхождения транзистора в режим отсечки тока: R3=(Еп—U30)/I30;
I30> Umвых/Rн+ I30*Umвых/( Еп—U30), после этого получим:
I30>(Umвых/Rн)*(Еп—U30)/(Еп—U30—Umвых)=0.105 А. Возьмем I30=120 mA.
После определения U30, I30 и заданном Еп легко находится величина Rб: R3=(Еп—U30)/I30=58.3 Ом.
18.Анализ процессов в цепи усилителя по сигнальным приращениям напряжений и токов, эквивалентная схема транзистора. Дифференциальные проводимости транзистора, их определение по ВАХ. Представление транзистора и усилителя в виде эквивалентных четырёхполюсников.
Характеристики линейного усилителя. Основные характеристики усилителя определяются при усилении эталонных гармонических сигналов. К их числу относятся комплексный коэффициент усиления амплитуды напряжения — , комплексный коэффициент усиления тока , комплексное входное сопротивление — , а также комплексное выходное сопротивление — . Отметим, что все эти характеристики, определяемые как отношения комплексных амплитуд, предполагают их независимость от величин этих амплитуд. Т.е. изменение одной амплитуды, стоящей в числителе дроби должно вызывать точно такое же изменение другой амплитуды, стоящей в знаменателе. При этом отношение амплитуд остается неизменным. Такое свойство присуще только линейным системам, в частности линейным усилителям.

О братимся к рис.6.1, на котором показана цепь усилительного каскада с источниками смещения и сдвига выходного напряжения. Предположим, что напряжение входного сигнала – uвх изменяется с малой амплитудой Δuвх. Это изменение приведет к изменениям напряжений и токов в цепи, которые мы также обозначим значком Δ: Δu1, Δi1, Δu3 и т.д. Отношения амплитуд: Δu1/ Δi1, Δuвых/Δuвх и пр. можно заменить производными от соответствующих зависимостей: Δu1/ Δi1= du1/dΔi1, duвых/duвх, что будет хорошим способом вычислений и позволит построить эквивалентные линейные схемы транзисторного каскада для малых приращений напряжений и токов. В частности, при дифференцировании всех зависимостей производные от постоянных напряжений будут равны нулю, что устранит источники постоянных напряжений из эквивалентной схемы. На рис. 6.2. показано преобразование полной схемы усилительного каскада в эквивалентную схему, выражающую только приращения напряжений и токов. На эквивалентной схеме все источники постоянных напряжений заменены перемычками с нулевым сопротивлением, а вместо реального транзистора, на электродах которого присутствуют постоянные напряжения U10, U30 помещен воображаемый транзистор с нулевыми постоянными напряжениями на электродах, но имеющий зависимости между приращениями напряжений и токов, идентичные реальному транзистору.
Определить эти зависимости при известных ВАХ реального транзистора можно путем вычисления малых приращений токов, вызванных малыми приращениями напряжений. ВАХ транзистора задается двумя функциями
Вычисляя полные приращения токов как полные дифференциалы, получим:
Обязательно вычисление частных производных от функций ВАХ должны выполняться в начальном положении рабочей точки транзистора: при U3=U30, I3=I30. Данные производные имеют размерности проводимостей и называются дифференциальными проводимостями транзистора. Они имеют стандартные обозначения:
g11=∂I1/∂U1 – входная дифференциальная проводимость (6,6)
g13=∂I1/ ∂U3 – обратная проходная дифференциальная проводимость (6.7)
g31=∂I3/∂U1 — прямая проходная дифференциальная проводимость (6.8)
g33=∂I3/ ∂U3 – выходная дифференциальная проводимость (6.9)
Все дифференциальные проводимости легко определяются по графикам входной и выходной ВАХ транзистора. Однако гораздо точнее они измеряются специальными приборами и приводятся как справочные данные к каждому транзистору в рекомендуемой рабочей точке.
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад