Раздел 3 (1). Cпособы питания и стабилизации режимов работы усилительных элементов
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
РАЗДЕЛ 3 CПОСОБЫ ПИТАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Режимы работы биполярного транзистора Как отмечалось в разделе 1, для усиления мощности входного сигнала используется энергия источника питания, напряжение которого подведено к усилительному элементу (УЭ). Способ подачи питания зависит от того, какие напряжения и токи необходимо обеспечить на электродах транзистора, то есть от выбранного режима работы усилительного элемента. Под режимом работы транзистора понимается совокупность токов и напряжений, которые необходимо обеспечить на его электродах. Различают 4 основных типа режимов работы: «А», «В», «С» и «D». Выбор наиболее подходящего режима выбирают в зависимости от конкретной технической задачи и заданных качественных показателей. При построении предварительных и выходных каскадов усиления на биполярных транзисторах (БТ) чаще всего используются режимы «А» и «В». Режим «А» применяют, как правило, в каскадах предварительного усиления, а также предвыходных и выходных каскадах при небольшой мощности в нагрузке (Рн ≤ 0,1 –1,0 Вт). Этот режим характерен тем, что транзистор будет находиться в открытом состоянии при любом значении напряжения, поступающего от источника сигнала на вход УЭ. Таким образом, через переходы транзистора (б – э, к – э) будут протекать токи в течение всего периода сигнала переменного тока, и даже в его отсутствие. На рисунке 3.1. (а, б) показаны потенциалы напряжения, которое необходимо подать на электроды биполярных транзисторов (БТ) типа p – n – p и n – p – n (направление постоянного тока указывает стрелка эмиттера).  Рисунок 3.1. На рисунок 3.2 (а) изображена характеристика прямой передачи БТ, на которой показан режим работы «А». Из рисунка видно, что между входным и выходным параметром существует линейная зависимость, при которой форма выходного сигнала не изменяется по отношению к сигналу на входе.  Рисунок 3.2 – Положение точки покоя в режиме «А» на проходной (а) и выходных статических характеристиках (б) При этом обеспечиваются минимальные нелинейные искажения, но коэффициент полезного действия невысок. Теоретически КПД в режиме «А» не превышает 50%, в реальных же каскадах с резисторно-емкостной связью он составляет не более 10 – 20 %  , при = = 1 = 0.5 (50%) (3.1)где Ротд – полезная мощность, отдаваемая транзистором в нагрузку; Р0 - мощность, потребляемая транзистором от источника питания; = Umk / Uk0 – коэффициент использования транзистора по напряжению; = Imk / ik0 - коэффициент использования транзистора по току. Необходимо отметить, что при любом режиме работы постоянный и переменный ток через переход «б – к» будет отсутствовать, поскольку к этому переходу приложено большое обратное напряжение. Режим работы на характеристиках транзистора изображают в виде точки с координатами (iк0,Uкэ0) на семействе выходных статических характеристик (iб0,Uбэ0 – на входной статической характеристике или характеристике прямой передачи), которую называют рабочей точкой (РТ) или точкой покоя (ТП), поскольку она показывает токи и напряжения на электродах транзистора в отсутствие входного сигнала. В режиме «А» ТП будет находиться в середине линейного участка сквозной динамической характеристики, что обеспечивается подачей во входную цепь УЭ необходимого смещения. Уровень входного сигнала выбирается таким образом, чтобы при усилении не использовались нелинейные участки характеристики транзистора, обусловленные режимами насыщения или отсечки. На рисунке 3.2 (б) показано положение ТП для режима «А» на семействе выходных статических характеристик транзистора. Через ТП проходит нагрузочная прямая по постоянному току, которая показывает взаимосвязь между выходным током и выходным напряжением, и строится по уравнению Кирхгофа для выходной цепи каскада для заданного сопротивления нагрузки по постоянному току. Режим работы «А» Достоинства: малые нелинейные искажения сигнала. Недостатки: малый КПД (не более 50%); усилитель потребляет мощность от источника питания даже в отсутствие полезного сигнала. В режиме «В» Т.П. выбирается на нижнем конце проходной или сквозной динамической характеристики при напряжении смещения, близким нулю (идеальный режим «В») или при подаче небольшого смещения (реальный режим «В» или режим «АВ»). В этом случае выходной ток УЭ протекает в течение половины периода сигнала, что приводит к большим нелинейным искажениям. На рисунке 3.3 показано положение ТП для режима «В» на характеристике прямой передачи (а) и на семействе выходных статических характеристик транзистора (б).  Рисунок 3.3 – Положение точки покоя на проходной (а) и выходных статических характеристиках (б) транзистора При усилении сигналов переменного тока режим «В» можно применять только в двухтактных каскадах, в которых используются транзисторы разного типа проводимости (комплементарная пара), усиливающие поочередно сигналы положительной и отрицательной полярности, как показано на рис.3.4. Транзистор VT1 открывается при отрицательной полярности входного напряжения и в течение половины периода через нагрузку будет проходить ток от источника Eп1. Транзистор VT2 открывается при положительной полярности входного напряжения и через открытый транзистор в течение половины периода через нагрузку будет проходить ток от источника Eп2.  Рисунок 3.4 – Двухтактное включение комплементарных транзисторов, работающих в режиме «В» Комплементарной парой называются два транзистора, имеющие разную структуру (p-n-p) и (n-p-n), но одинаковые свойства и характеристики. Коэффициент полезного действия в режиме «В» значительно больше, чем в режиме «А», поскольку постоянные токи в отсутствие сигнала близки к нулю, а выходной ток через транзистор протекает только в течение одного полупериода, что ведет к снижению потребляемой мощности. Теоретически (при 100% – ном использовании характеристик транзистора) КПД в режиме «В» достигает 78.5%:  (78.5%), (3.2)В силу своей экономичности режим «В» применяют в мощных выходных двухтактных каскадах усиления гармонических сигналов. Режим работы «В» Достоинства: высокий КПД (около 78,5%); усилитель практически не потребляет мощность от источника питания в отсутствие полезного сигнала. Недостатки: большие нелинейные искажения сигнала; при усилении сигналов необходимо применение двух транзисторов; необходимость применения двух источников питания (хотя для усилителей перемененного тока может быть применена схема и с одним источником питания). В режиме «С», в отличие от режима «В», Т.П. выбирается при небольшом отрицательном напряжении смещения, как показано на рис. 3.5.  Рисунок 3.5 – Положение точки покоя в режиме «С» на характеристике прямой передачи транзистора Этот режим обеспечивает очень большой КПД (около 90%), но при этом транзистор будет вносить еще большие (относительно режима «В») нелинейные искажения. Режим «С» применяется в мощных радиопередающих устройствах с применением в выходной цепи частотно-избирательных цепей для подавления высших гармоник. Режим работы «С» Достоинства: очень высокий КПД (около 90%); Недостатки: большие нелинейные искажения сигнала; необходимость применения частотно-избирательных цепей. Режим «D» называют ключевым режимом работы, поскольку он используется в схемах электронных ключей. Транзистор будет находиться только в одном из двух граничных состояний: либо в режиме насыщения (при полностью открытом транзисторе), либо в режиме отсечки, когда транзистор полностью закрыт. Задача обеспечения режима УЭ по постоянному току и стабилизация этого исходного режима решается с помощью специальных цепей питания УЭ. Цепи межкаскадной связи Связь между каскадами и их питание осуществляют при помощи цепей межкаскадной связи. Наибольшее применение в устройствах получили следующие виды межкаскадной связи: гальваническая (непосредственная); резисторно-конденсаторная (резисторно-емкостная); трансформаторная. Название каскада определяется видом межкаскадной связи. При гальванической связи в качестве элементов связи между каскадами, а также с источником сигнала и нагрузкой, используются элементы, обладающие проводимостью для переменных и постоянных токов и напряжений (провода, резисторы, диоды, стабилитроны и т.д.). Различают непосредственную и резисторную гальванические связи. В каждой из этих схем каскадов применена гальваническая связь УЭ с источником сигнала и нагрузкой. П  ример гальванической связи показан на упрощенной структурной схеме (рис.3.6).Рисунок 3.6 – Структурная схема двухкаскадного усилителя с гальванической (непосредственной) связью. Гальваническая связь Достоинства: возможность усиления сигналов постоянного тока (fн = 0); простота, малые габариты, масса и стоимость; хорошие частотные, фазовые и переходные характеристики; высокая технологичность (возможность использования в интегральном исполнении) Недостатки: неэкономичное использование напряжения источника питания; каскады (источник и нагрузка) связаны по постоянному току и нестабильность режима работы и параметров одного каскада повлияет на работу другого; необходимость борьбы с "дрейфом нуля". При резисторно-конденсаторной связи в качестве основного элемента связи по сигналу используется разделительный конденсатор (Cр), но в схему связи входят и резисторы. Пример резисторно-емкостной связи показан на упрощенной структурной схеме (рис.3.7).  Рисунок 3.6 – Структурная схема двухкаскадного усилителя с гальва Конденсатор связи Ср отделяет усилительные каскады, а также источник и нагрузку от усилителя по постоянному току. Такой вид связи используется только в усилителях переменного тока. Для уменьшения влияния сопротивления конденсатора на частотные искажения его емкость выбирается достаточно большой. Резисторно-конденсаторная связь Достоинства: исключается взаимное влияние каскадов (а также источника и нагрузки) по постоянному току; малые габариты, масса и стоимость; Недостатки: плохое использование напряжения источника питания; не может применяться для построения усилителей постоянного тока; наличие частотных искажений в области нижних частот. При трансформаторной связи в качестве элемента межкаскадной связи, а также связи между усилителем и нагрузкой (источником) используется трансформатор. Пример трансформаторной связи показан на структурной схеме (рис.3.7).  Zн Рисунок 3.7 – Структурная схема двухкаскадного усилителя с трансформаторной связью Трансформатор характеризуется рядом параметров: коэффициент трансформации  , где W1 и W2 – количество витков первичной и вторичной обмоток;КПД трансформатора  , равный отношению мощности сигнала Рн, отдаваемой трансформатором в нагрузку Rн, к мощности сигнала Рвх тр , подводимой ко входу трансформатора от УЭ.При трансформаторной связи нагрузкой источника сигнала (а также усилительного каскада) является входное сопротивление трансформатора, которое определяется, как отношение сопротивления во вторичной обмотки трансформатора к квадрату коэффициента трансформации. Так, нагрузкой усилительного элемента выходного каскада по переменному току является сопротивление  (3.3)Трансформатор имеет существенные достоинства, но и столь же существенные недостатки. Трансформаторная связь Достоинства: исключается взаимное влияние каскадов (а также источника и нагрузки) по постоянному току; хорошее использование источника питания; позволяет максимизировать КПД усилителя; позволяет обеспечить любое сопротивление нагрузки УЭ по переменному току Трансформаторная связь Недостатки: большие габариты, вес и стоимость; большие частотные и фазовые искажения, что затрудняет применение глубокой общей обратной связи (из-за опасности самовозбуждения); дополнительные нелинейные искажения, вносимые трансформатором из-за нелинейности кривой намагничивания материала сердечника трансформатора. Схемы подачи питания и стабилизации режима работы БТ Питание усилительных каскадов осуществляется, как правило, от одного источника постоянного напряжения, в качестве которого применяется выпрямитель или аккумуляторная батарея. При использовании режима «А» необходимые токи и напряжения на электродах транзистора обеспечиваются при помощи резисторов в выходной (к–э) и входной (б–э) цепях транзистора. Существует ряд типовых схем подачи питания и стабилизации усилительных каскадов: с фиксированным током базы(ФТБ); с фиксированным напряжением смещения (ФНС); с параметрической стабилизацией; с коллекторной стабилизацией (КС); с эмиттерной стабилизацией (ЭС); с комбинированной стабилизацией. Рассмотрим особенности построения и анализа этих схем по постоянному току. |