Меню

Что такое режим по постоянному току усилителя

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

Режим работы транзистора по постоянному току

Режим работы транзистора

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо установить необходимые токи и напряжения на электродах транзистора, говорят «установить рабочий режим».

Требуемый режим задается:
— заданием «сверху» — техническим заданием заказчика,
— условиями работы устройства в будущем,
— требованиями экономичности, надежности,
— прочими требованиями.

— Режим работы транзистора по постоянному току называемый также начальный режим, статический режим, режим покоя.

Он характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между ними.

— Режим работы по переменному току.

Рассматриваются изменения токов или напряжений, вызванные входным сигналом. Он характеризуется переменными токами электродов транзистора и переменными напряжениями между этими электродами.

Такой режим задается с помощью двух схем:

— фиксированный ток базы,

— фиксированное напряжение базы.

Рассмотрим схему фиксированный ток базы. Ток течет по элементам цепи от плюса к минусу источника!

Введем понятие «общая точка схемы» и обозначим ее символом
Условимся:

— потенциал общей точки схем равен нулю,
— все напряжения отсчитываем от нулевого потенциала,
— далее символ -ЕК не показываем,
— постоянные токи текут от положительного потенциала источника к отрицательному.

В данной схеме ток базы задается величинами

т.е. «зафиксирован» и не зависит от транзистора.

В усилительных каскадах чаще используется схема с ФИКСИРОВАННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ БАЗЫ.

Читайте также:  Петли тока рука руками

Включим дополнительное сопротивление .

По сопротивлениям течет ток IД — ток делителя. Выберем такие сопротивления,

Напряжение на базе зафиксировано делителем напряжения.

Резисторы представляют собой делитель напряжения.По сопротивлениям течет ток IД.

Обозначение элементов схем (резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и т.д.) нормировано.

Рассмотрим коллекторную цепь транзистора. На основании закона Кирхгофа для коллекторной цепи

ЕК = IК·RK + UКЭ Это уравнение прямой (в отрезках) в координатах ток-напряжение.

ЕК = IК·RК + UКЭ Прямая строится по двум точкам:

Построенную прямую называют:

— линия нагрузки по постоянному току,

— нагрузка транзистора по постоянному току.

Нагрузочную прямую можно построить под углом , который рассчитывается согласно соотношению

Выделим точку пересечения нагрузочной прямой с одной из ВАХ транзистора и назовем ее рабочая точка РТ.

Спроецируем РТ на оси тока и напряжения.

Получим ток коллектора и напряжение на нем.

Для обозначения начального режима введем символ ‘ о ‘.

Начальный режим транзистора характеризуется токами и напряжениями IК о , UКЭ о , Iб о , Uбэ о .

Взаимодействие активного элемента – транзистора и нагрузочной прямой обеспечивает усиление сигнала.

Влияние элементов схемы и внешних факторов на положение нагрузочной прямой, рабочей точки и начальный режим.

1. Увеличение (уменьшение) ЕК приводит к смещению нагрузочной прямой параллельно самой себе.

2. Изменение величины RК приводит к изменению угла α.
Предельные значения:
RК = 0, α = 90 0 , UKЭ = ЕК , RК →∞, UКЭ →0.

3. Увеличение температуры приводит к смещению РТ по нагрузочной прямой.
При этом ток коллектора увеличивается, а напряжение на коллекторе уменьшается.

4. Изменение тока базы приводит к перемещению РТ по нагрузочной прямой. Предельные значения тока базы
Iб = 0 транзистор закрыт.
Iб = Iб.нас транзистор переходит в режим насыщения и полностью открыт.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Режим работы транзистора по постоянному току

Дата добавления: 2014-11-28 ; просмотров: 3115 ; Нарушение авторских прав

Совокупность постоянных напряжений и токов в схеме усилителя формирует так называемую рабочую точку транзистора. Выбор и задание рабочей точки является важной составляющей проектирования транзисторных схем. В зависимости от типа усилителя и усилительного элемента режим схемы по постоянному току может быть различным. Для линейных усилителей малой и средней мощности важнейшим па­раметром является уровень нелинейных искажений. Как уже бьшо сказано, нелинейность вольтамперных характеристик транзистора слабо проявляется при малых сигналах, однако правильный выбор рабочей точки позволяет минимизировать нелинейные искажения.

Проведем графический анализ работы резисторного усилителя (рис. 9), считая для простоты Rэ = 0. Как в динамическом, так и в статическом режимах все напряжения и токи транзистора оказываются взаимосвязанными. Для выходной цепи можно записать уравнение Кирхгофа

. (9)

Совместно с семейством статических характеристик транзистора

оно образует систему уравнений. Графическое решение этой системы проводится на плоскости коллекторных характеристик (рис. 11). Уравнение (9) на этой плоскости представляет собой прямую (ее называют нагрузочной); она пересекает оси координат в точках Ек и Ек/ Rк. Если при отсутствии сигнала на входе мы выбираем такое значение Еб0, что ток базы будет Iб0 = Iбэ, то рабочая точка А определяет постоянные напряжение между коллектором и эмит-гером Uкэ0 и ток коллектора Iк0.

Рис. 11. Графический анализ режима усиления транзистора

При изменении базового тока под действием сигнала точка пересечения статических характеристик с нагрузочной прямой передвигается по этой прямой около точки А. При этом изменяются ток коллектора iк и напряжение uкэ. Изменения последнего и являются выходным усиленным сигналом.

Знание статических характеристик конкретного транзистора позволяет с помощью графического метода рассчитать усилитель.

Варьируя напряжение источника Еб0, а значит и Iб0, можно изменять положение рабочей точки. Если Еб0 выбрать достаточно большим, точкой покоя может оказаться точка В. Транзистор здесь находится вблизи порога насыщения, его ток велик, а напряжение на нем мало. Увеличение тока базы под действием сигнала выводит рабочую точку в область насыщения, и возникает ограничение тока коллектора и выходного сигнала (рис. 11). Говорят, что происходит верхняя отсечка тока. Если рабочая точка находится в положении С, то, наоборот, при отрицательном приращении сигнала транзистор оказывается запертым, что также приводит к отсечке тока, теперь уже нижней. Отсечки тока следует рассматривать как один из видов нелинейного искажения сигнала в усилителе. Очевидно, что правильный выбор режима по постоянному току соответствует расположению точки покоя в средней части нагрузочной прямой. Следует заметить, что режим с отсечками возникает в любом усилителе при большом уровне входного сигнала, поэтому должны предприниматься специальные меры для исключения такой возможности.

Источник

3. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

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.

Читайте также:  Как включают в электрическую цепь амперметр для измерения силы тока

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 I (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

– выходная мощность; Р – 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 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 U, I 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 U > Um и I > Im.

Читайте также:  Обратные токи в сетях

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

Источник