Меню

Режим связи по постоянному току

Режимы работы транзистора: схемы, классы A, B, AB, C, D

рис. 2.14Перед тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «начальный режим работы усилителя».

Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (Uкэн, Iкн), где Uкэн и Iкн — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начального режима традиционно и вполне оправданно рассматривают следующие три схемы:

  • с фиксированным током базы;
  • с коллекторной стабилизацией;
  • с эмиттерной стабилизацией.

Орлов Анатолий Владимирович

  1. Схема с фиксированным током базы
  2. Схема с коллекторной стабилизацией
  3. Схема с эмиттерной стабилизацией
  4. Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Схема с фиксированным током базы

рис. 2.15

(рис. 2.14). На подобных схемах источник напряжения Ек обычно не изображают.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа iк· Rк + uкэ− Ек = 0
Отсюда находим ток коллектора iк: iк= − ( 1 / Rк ) · uкэ+ ( 1 / Rк ) · Ек что соответствует линейной зависимости вида у = а · х + b. Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки (как и для схемы с диодом).

Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

Будем пренебрегать напряжением uбэ так как обычно uбэ iб4).

Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:

  • при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины βст и Íко, что изменяет ток Iкн и положение начальной рабочей точки.
  • для каждого значения βст необходимо подбирать соответствующее значение Rб, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией

рис. 2.16

(рис. 2.16).

Васильев Дмитрий Петрович

Пусть по каким-либо причинам (например, из-за повышения температуры) ток iк начал увеличиваться. Это приведет к увеличению напряжения u, уменьшению напряжения uкэ и уменьшению тока iб ( iб = uкэ/ Rб), что будет препятствовать значительному увеличению тока iк, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией

рис. 2.17

В зарубежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток iэ и через это ток iк ( iк = iэ ). С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор Rэ и создают на нем практически постоянное напряжение u. При этом оказывается, что iэ= uRэ/ Rэ= const. Для создания требуемого напряжения uR используют делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Сопротивления R1и R2 выбирают настолько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом uR2= Eк · [ R2/ ( R1+ R2)] В соответствии со вторым законом Кирхгофа uRэ= uR2– uб

При воздействии дестабилизирующих факторов величина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина uRэ. На практике обычно напряжение uRэ составляет небольшую долю напряжения Ек.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А.

  1. В режиме «А»ток коллектора всегда больше нуля (iк > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала.
  2. В режиме «В» Iкн = 0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока.
  3. Режим «АВ» является промежуточным между режимами А и В.
  4. В режиме «С» на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода.
  5. Режимом «D» называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).
Читайте также:  Формула для постоянного тока с пояснением

Источник

Режим транзисторного каскада по постоянному току

date image2014-02-24
views image2682

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Режим по постоянному току каскада уси­ления на транзисторе с ОЭ задается его токами базы Iб и кол­лектора Iк и напряжениями база — эмиттер Uбэ и коллек­тор — эмиттер Uкэ в рабочей точке (рис. 45, а, б). Определяют эти параметры для конкретного каскада усиления, используя входные и выходные характеристики транзистора.

Рассмотрим семейство выходных характеристик транзистора (рис. 45, а). Разрешенная область надежной работы транзистора ограничивается максимально допустимыми током коллектора Iк max, а также напряжением Uкэ max на нем и рассеи­ваемой мощностью Рк max. Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального вход­ного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Рисунок 45 – Графическое представление работы коллекторной (а)

и базовой (б) цепей усилительного каскада

Так как напряжение Uкэ закрытого транзистора равно на­пряжению источника питания Ек, то значение Ек должно быть меньше Uкэ max. Соответственно напряжение

Данное уравнение представляет собой графически прямую линию — линию нагрузки. Чтобы найти точки пересечения линии нагрузки с осями Iк и Uкэ, поочередно приравнивают к нулю Iк и Uкэ. Если Iк = 0, то Uкэ становится равным Ек, т. е. напряжение на коллекторе закрытого транзистора равно Ек. Если Uкэ= 0, то Iк = Ек/Rн.

Максимальную нагрузку (минимальное сопротивление резис­тора Rн) выбирают из условия Ек/Rн Ек/Iк max. Таким образом, линия нагрузки соединяет точки с коор­динатами Ек/Rн и Ек. Такое положение занимает линия нагрузки каскада, предназначенного для получения максимально возмож­ного для выбранного транзистора выходного напряжения, что используют только в оконечных каскадах.

Линия нагрузки ограничивается точками Б и В. За пределами участка БВ процесс усиления сопровождается значительными нелинейными искажениями. Выше точки Б наступает насыщение транзистора и он перестает управляться током базы, т. е. при Iб>Iб max ток коллектора не увеличивается. Ниже точки В тран­зистор оказывается в режиме отсечки, т. е. также перестает управляться.

Рабочую точку А (р.т) выбирают так, чтобы под действием входного сигнала она смещалась в пределах участка БВ линии нагрузки, что обеспечивает усиление сигнала без значительных искажений его формы. Затем определяют токи базы Iб и кол­лектора Iк, напряжение Uкэ, а также максимальный Iб max и минимальный Iб min токи базы, соответствующие максимальному Uкэ max и минимальному Uкэ min ее напряжениям. Напряжение база — эмиттер Uбэ определяют по входной характеристике транзистора (рис. 45, б).

Источник



По постоянному току каскадов на биполярных транзисторах

Существует несколько способов задания режима по постоянному току.

Схема с фиксированным током базы. Режим по постоянному току задается с помощью резисторов Rб, Rк и источника питания Uип (рис. 8.11).

Уравнение по второму закону Кирхгофа для входной цепи имеет вид

где Uбэ0 » (0,3¼0,6) В (эмиттерный переход открыт), т.е. Uбэ0

Наличие резистора Rэ – резистора обратной связи – при отсутствии конденсатора Cэ не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет работу каскада по переменному току. Для схемы изменяющийся входной сигнал также является дестабилизирующим фактором. Переменная составляющая эмиттерного тока Iэ

создает на резисторе Rэ падение напряжения, которое уменьшает переменное напряжение Uбэ

что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада. Для сохранения коэффициента передачи по переменному сигналу резистор RЭ шунтируется конденсатором CЭ большой емкости рис. 8.14.

Коэффициент стабилизации режима

В этой схеме можно обеспечить практически любые требуемые значения m. Путем уменьшения R1и R2эквивалентное сопротивление в цепи базы Rб = R1‌½‌½R2можно сделать достаточно малым. Однако если делитель низкоомный, то он потребляет от источника питания большую мощность и снижает входное сопротив­ление каскадов с ОЭ и ОК. То и другое нежелательно. Поэтому для увеличения коэффициента m надо в первую очередь увеличи­вать Rэ, насколько позволяет Uип, что дает возможность при том же m сделать более высокоомным базовый делитель. К тому же увеличение Rби Rэ уменьшает влияние изменений напряже­ния Uбэ.

В случае если Rэ = 0, то m = rэ/R1+rэ/R2. Здесь увеличить m можно лишь уменьшением сопротивлений R1и R2, т. е. ценой ухудшения экономичности питания делителя и ста­бильности относительно DUбэ. Такую схемy применяют только в оконечных каскадах усиления мощности, где наличие резистора Rэ заметно снижает КПД и поэтому нежелательно. Однако даже там обычно применяют резистор Rэ, хотя и очень низкоомный.

Схема комбинированной стабилизации.Она сочетает две отрицательные ОС по постоянному току — последовательную и параллельную (рис. 8.15.), которые создаются резисторами R3и R4соответственно. Вклад резистора R4в стабилизацию тока коллектора меньше, чем резистора R3, так как изменение напряжения на R3действует целиком во входной цепи транзистора, а изменение напряжения на R4ослабляется делителем R1, R2. Поэтому резистор R4 не ставится специально для стабилизации, а обычно является резистором развязывающего фильтра или коллекторной нагрузки Rк.

Чтобы найти коэффициент стабилизации m, перейдем к ранее принятой упрощенной обобщенной схеме смещения. Для этого треугольник R1, R2, R4(рис.8.15 а ) преобразуем в звезду Rэ, Rб, Rк (рис.8.15, б),причем достаточно найти сопротивления лишь двух ветвей: Rc = R2 R1 / (R1 + R2 + R4), Rэ = R2 + +R4/(R1 + R2 + R4).

Полное эквивалентное сопротивление в цепи эмиттера Rэ = R3 + R‘э. Тогда коэффициент стабилизации m = Rэ/Rб = R3/ R1 + R3/ R2 + R4/ R1 + R3R4::: R1R2. Отсюда видно, что вклад от сопротивления R4 в коэффициент m меньше, чем от R3, так как R3

Схемы с термокомпенсацией.В оконечных каскадах усиления мощности включение в цепь эмиттера токостабилизирующего резистоpa заметно снижает КПД. Поэтому в них иногда используют схемы компенсации температурной нестабильности рабочей точки при помощи терморезистора. На рис. 8.15, в показана схема термокомпенсации двухтактно­го каскада. Терморезистор Rt включен в нижнее плечо базового делителя смещения и имеет отрицательный температурный коэф­фициент сопротивления TKR. При повышении температуры его сопротивление уменьшается, что уменьшает напряжение смещения, подаваемого на 6aзы, и уменьшает ток транзистора. В качестве терморезисторов с отрицательным TKR можно использовать диоды, смещенные в прямом или обратном направлении. Однако в каскадах с большим уровнем усиливаемого колебания диоды заметно увеличивают нелинейные искажения. Диодную стабилизацию токов коллекторов широко применяют в интегральных микросхемах как самую доступную.

В схемах с термокомпенсацией возможно не только уменьшение температурной нестабильности, но также ее полная компенсация и даже перекомпенсация. Однако метод термокомпенсации уменьшает или устраняет только те изменения тока коллектора, которые вызваны изменением температуры. Поэтому, а также из-за необходимости индивидуальной подгонки резисторов, схемы с термокомпенсацией в каскадах на дискретных элементах применяют сравнительно редко.

8.4. Задание режима по постоянному току каскадов на

Обеспечение режима по постоянному току осуществляется различными способами в зависимости от того, какой транзистор используется в схеме усилителя. Для каскадов на полевых транзисторах с управляющим р-п- переходом можно задать режим по постоянному току, используя дополнительный источник питания (рис. 8.16) или же применить автоматический способ задания режима по постоянному току (рис. 8.17).

Рис. 8.16 Рис. 8.17

Величина резистора R3 выбирается в пределах нескольких мегаом, а в цепи истока рассчитывается из условия RИ = Uзи/Iи @ Uзи/Ic. Величина Uзи соответствует напряжению на затворе в рабочей точке.

Для транзисторов с индуцированным каналом для задания режима можно использовать делитель в цепи затвора, подключенный либо к источнику питания или же в цепь стока транзистора рис. 8.18, 8.19.

Рис. 8.18 Рис. 8.19

Последний способ обеспечивает более высокую стабильность положения рабочей точки, но коэффициент усиления каскада уменьшается вследствие наличия отрицательной обратной связи.

Для каскадов на полевых транзисторах со встроенным каналом можно применить дополнительный источник питания и в зависимости от его полярности рабочая точка может находиться либо в режиме обогащения, либо в режиме обеднения рис. 8.20. При наличии одного источника питания используется автоматический способ задания рабочей точки и, кроме того, может устанавливаться делитель в цепи затвора рис. 8.21.

Рис. 8.20 Рис. 8.21

Следует отметить, что полевые транзисторы имеют температурно-независимую рабочую точку, поэтому при жестких требованиях рабочий режим должен задаваться в этой точке.

После того как задан режим по постоянному току и выбрана рабочая точка, графоаналитическим методом проводится расчет каскада на биполярном или полевом транзисторе по переменному току.

Источник

2.2.3. Режим работы по постоянному току

Режим работы по постоянному току является важнейшей характеристикой усилительного каскада и характеризует его работу при отсутствии в напряжение на входе усилительного каскада переменной составляющей, которая и является усиливаемой величиной.

Режим работы по постоянному току характеризуется положением рабочей точки – точки на нагрузочной характеристике, соответствующей нулевому уровню переменной составляющей входного напряжения.

На рисунке 2.15 мы видим, что нагрузочная линия, как и выходные характеристики транзисто-

ра, находятся с одной стороны от оси U КЭ , следовательно на выходе

усилительного каскада будет сигнал одной полярности, а составля-

ющие противоположной полярности будут утеряны.

Положение рабочей точки опре- деляется величиной и знаком постоянной составляющей входно-

го напряжения напряжения U БЭ0 . Если входное напряжение меняется по закону синуса, то получим следующее выражение:

u = U БЭ0 + U БЭm sin ωt

В зависимости от положения рабочей точки на нагрузочной характеристике различают 3 класса усилителей:

Рис. 2.17. Режимы работы усилителя а ) входной сигнал;

б ) режим А; в ) режим B; г ) режим C;

Класс А (рис. 2.17 б )– режим, при котором напряжение в выходной цепи изменяется в течении всего периода входного сигнала. В этом случае рабочая точка находится посредине участка нагрузочной характеристики, соответствующего линейному участку характеристик транзистора а входной и выходной сигналы являются пульсирующи-

2. Теоретическое введение

ми 3 . Отсюда следует, что при нулевом сигнале на входе (напомним, что входным сигналом для нас является переменная составляющая), напряжение на выходе будет равно U КЭ0 . Отсюда следует, что при нулевом сигнале на входе, напряжение на выходе будет равно U КЭ0 .

Следует обратить внимание на то, что в связи с нелинейностью характеристик транзистора в области низких значений тока коллектора, максимальное амплитудное значение выходного сигнала (U КЭm ) будет несколько меньше U КЭ0 .

Достоинством класса А являются малые нелинейные искажения,

однако КПД каскада η = P (P – выходная мощность, P 0 – мощность,

потребляемая усилителем от источника питания) очень мал – 0, 5.

В основном класс А используется в каскадах предварительного усиления.

Класс B – режим, при котором напряжение в выходной цепи изменяется в течении приблизительно половины периода входного сигнала (рис. 2.17 в ), т.е. входной сигнал является переменным 4 и происходит потеря половины его периода.

При анализе режимов работы усилителей удобно использовать угол отсечки θ – половина угла, соответствующего участку периода, на котором не происходит изменение выходного сигнала. Для каскада, работающего в идеальном режиме В, величина угла отсечки равна π/2. В этом случае величина постоянной составляющей равна 0, а КПД может достигать величины η = 0, 8. Нелинейные искажения имеют сравнительно небольшую величину и в основном сконцентрированы в области нулевого значения входного и выходного сигналов. Это связано с нелинейном характером начальных участков входных и выходных характеристик транзистора.

Класс B получил широкое распространение в двухтактных усилительных каскадах 5 , однако идеальный класс В (θ = π/2) применяется редко, наибольшее распространение получил промежуточный

3 Пульсирующий сигнал меняется только по величине, знак остаётся постоянным, т.е. это сигнал одной полярности.

4 Переменный сигнал меняется как по величине, так и по знаку 5 В двухтактном усилительном каскаде имеется два усилительных элемента, каждый из

которых усиливает напряжение одной из полярностей, они позволяют обеспечить изменение выходного напряжения в течении всего периода входного. Недостатком подобных каскадов является невозможность найти два абсолютно одинаковых транзистора, что приводит к искажениям в местах соединения разнополярных полупериодов на выходе усилителя

2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)

Класс АВ 6 , при котором угол отсечки несколько больше π/2, то есть к входному напряжению прибавляется постоянная составляющая, величина которой составляет 5 . . . 15% от максимального входного напряжения. Наличие постоянной составляющей такой величины позволят выйти из нелинейного участка в начале входных и выходных характеристик транзистора.

Класс С – режим, при котором напряжение в выходной цепи изменяется в течении времени значительно меньшего половины периода входного сигнала (рис. 2.17 г ), т.е. 0 Класс D , который характеризуется наличием только двух уровней выходного напряжения – максимальное и нулевое, то есть транзистор работает в ключевом режиме – либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Подобные усилители широко применяются в импульсной технике, отличаются очень высоким КПД и малыми нелинейными искажениям. Сигналы, которые усиливаются ими, используют широтноимпульсную модуляцию (ШИМ), при которой информация кодируется

Источник