Лекция 1

Тема 1. Классы усиления и обратные связи в усилителях

1.1 Классы усиления усилителя

 

     Различают 5 классов усиления: А, В, АВ, С, Д. Рассмотрим их на примере усилителя, показанного на (рис.1.1).

Рисунок 1.1 – Усилитель с ОЭ

1.1.1 Класс усиления А

    Начальная рабочая точка (р.т.) А выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики (СДХ) i_к = f(e_г) (рис.1.2,а).

Рисунок 1.2 – Режим усиления класса А

    Для задания р.т. на базу транзистора подается смещение Е_см. Допустим, на вход подан сигнал U_вх = Е_гм sinωt (рис.1.2 .б).

    Тогда

U_бэ = Е_см + Е_гм sinωt.

    На (рис.1.2,в) показано изменение тока коллектора, на (рис.2.2,г) – I_кR_к, а на (рис.2.2,д) – изменение напряжение на выходе U_к = Е_к ‑ I_кR_к.

    Ток коллектора носит непрерывный характер. Входной сигнал должен быть таким, чтобы крайние положения рабочей точки не выходили за пределы линейного участка СДХ, т.е. за MN .

    Следует обратить внимание на то, что ток коллектора совпадает по фазе с входным сигналом, выходное напряжение в противофазе с входным.

    В классе А низкий К_н (коэффициент нелинейных искажений), но и низкий к.п.д.  η = 0,4.  

     Класс А применяется:

–  в каскадах предварительного усиления;

–  в предоконечных каскадах;

–  в RC-генераторах синусоидального напряжения;

–  в любой схеме, где недопустимы нелинейные искажения.

1.1.2 Класс усиления B

    Начальная р.т. B выбирается в точке запирания транзистора. Напряжение источника смещения Е_см отсутствует. Ток коллектора носит импульсный характер. Угол, при котором ток коллектора максимальный I_kmax, называется углом отсечки q. При идеальном режиме, т.е. при прямолинейном характере СДХ ток покоя коллектора равен нулю, q = 90°.

Рисунок 1.3 – Режимы усиления: а - класса В; б – класса АВ

     Этот режим характеризуется высоким к.п.д. η = 0.7 (постоянная составляющая значительно меньше переменной), но и  высоким К_н (коэффициентом нелинейных искажений).

1.1.3 Класс усиления АB

    Режим класса АВ является промежуточным между  А и В (рис.2.3,б). Начальная р.т. выбирается между точками А и В СДХ путем подачи смещения Е_см на базу. Угол отсечки тока коллектора q > 90°. Часть синусоиды на выходе отсекается, но меньше, чем в классе В. Поэтому искажения меньше, чем в классе В, но больше, чем в классе А (К_нА < К_нАВ < К_нВ). Кпд h = 0,5  (h_А < h_АВ < h_В).

     Используется:

-  в однотактных усилителях при резонансном усилении узкой полосы частот;

- при усилении импульсных сигналов одной полярности;

-  в двухтактных усилителях мощности.

1.1.3 Класс усиления С

     В этом режиме начальная рабочая точка выбирается левее начала СДХ на оси абсцисс. При отсутствии входного сигнала ток коллектора равен нулю. Угол отсечки коллекторного тока q < 90°. Усиливается только небольшая часть синусоиды. К.п.д. высокий η ≈ 0,9, но и высок К_н (коэффициент нелинейных искажений).

     Применяется класс С в LC – генераторах. Резонансный контур в коллекторной цепи настраивается на заданную частоту и из широкого спектра частот, который имеет срезанная синусоида, выделяется нужная.

1.1.3 Класс усиления Д

     Режим класса Д или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью запирающие и отпирающие транзистор.

Рисунок 1.4 – Режим усиления класса Д

     Усилительный элемент всегда находится в одном из двух крайних состояний: «полностью открытом» или «полностью закрытом» (ток в выходной цепи близок к нулю). Поэтому потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы, что позволяет получить в усилителе очень высокий КПД. Но повышение КПД усилителей класса Д происходит за счет ухудшения других показателей.

 

1.2 Обратные связи в усилителях

 

     Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному, т. е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача, – цепью обратной связи (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Структурная схема усилителя с обратными связями

где К – коэффициент усиления усилителя; γ_ос –  коэффициент передачи звена обратной связи.

      Введение ОС в усилитель позволяет создавать усилители с необходимыми свойствами, а также новые классы электронных схем с разными функциями.

      От способа снятия ОС с выхода различают:

 - ОС по току и напряжению. 

    Если ОС снимается с R_н или с RIIR_н и U_ос изменяется пропорционально выходному напряжению, то это ОС по напряжению.

    Если ОС  снимается с сопротивления, последовательного R_н  и изменение напряжения обратной связи пропорционально изменению тока, то это ОС по току.

     От способа подачи сигнала ОС на вход усилителя различают на:

- параллельную и последовательную. 

    Параллельная ОС имеет место, если напряжение ОС подается на вход усилителя параллельно источнику сигнала Е_с. Если ОС подключается к входу усилителя последовательно с источником сигнала Е_с, то имеется последовательная ОС.

   По разности фаз (знаку) между входным сигналом и сигналом обратной связи различают положительную и отрицательную ОС.

    В общем случае, с учетом влияния реактивных элементов для усилителя (рис.1.5) можно записать U_вх = Е_с + U_ос. Поделим на U_вых

    Тогда можно записать

     Отсюда определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью                                     

где j_к – угол сдвига фазы между U_вых и  U_вх усилителя;  j_ос –  угол сдвига фазы между U_выхос и  U_вхос..

     Если γ_осК  (глубина ОС) – величина вещественная и положительная, то обратная связь положительная. При этом j_к +j_ос =0.

 Если γ_осК_U – величина вещественная и отрицательная, то обратная связь отрицательная, , j_к +j_ос = π.

    Положительная обратная связь (ПОС) увеличивает коэффициент усиления по напряжению K_U (фазы входного сигнала усилителя и сигнала ОС совпадают), а отрицательная обратная связь (ООС) – уменьшает К_U (фазы названных сигналов противоположны).

     В усилительной технике в основном применяют ООС, которая увеличивает:

- полосу пропускания и динамический диапазон усиления D;

- R_вх при последовательной ОС;

- R_вых при ОС по току.

     Уменьшает:

- коэффициент усиления К_U;

- нестабильность;

- нелинейные и линейные искажения;

- R_вх при параллельной ОС и  R_вых при ОС по напряжению.

     Таким образом, введение цепи ОС изменяет основные параметры усилительного устройства. Кроме того, ООС и ПОС имеет противоположное воздействие на параметры усилителя.

 

1.3 Обеспечение режима работы усилителя

     Режим работы транзистора характеризуется начальным положением рабочей точки (р.т.)  на линии нагрузки или на сквозной динамической характеристике (СДХ) в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала.

     Начальное положение рабочей точки задается величиной тока во входной цепи или напряжением смещения.

     Наибольшее распространение имеют независимое смещение и от коллекторного питания Е_п. Независимое смещение (рис.1.6) от Е_см  через  R_б используется в усилителях мощности, в импульсных схемах.

Рисунок 1.6 – Схема усилителя с независимым смещением

     Достоинством схемы является независимость от смены транзистора, недостатком – при изменении температуры меняется режим работы.

1.3.1 Фиксированное смещение делителем напряжения

     Потенциал базы жестко фиксируется делителем напряжения R₁, R₂ (рис.1.7). Ток течет от E_к через делитель напряжения.

Рисунок 1.7 – Схема усилителя со смещением от делителя напряжения

    Падение напряжения на R₂ создает смещение на базу Е_см = U_бэ. Чтобы ток делителя напряжения не зависел от тока базы покоя должно выполняться условие

I_дел = (2 - 5)I_бп.

     Для выполнения этого условия надо уменьшать R₁, R₂, но при этом растет потребление энергии от E_к, падает кпд и падает входное сопротивление усилителя, а оно итак мало.

     Поэтому выбирается

при этом

    Резисторы R₁, R₂ по постоянному току соединены последовательно,  по переменной составляющей – параллельно R₁₂ >>R_вх.

     Достоинством схемы является независимость от смены транзистора, недостатком – при изменении температуры меняется режим работы.

 

1.3.2 Смещение рабочей точки током базы покоя

 

     В схеме (рис.1.8) смещение создается током базы покоя, протекающим от E_к через R_б, бэ, ; – E_к.

Рисунок 1.8 – Схема усилителя со смещением током базы

     Отсюда можно определить R_б, которое необходимо поставить в схему для обеспечения нужного смещения

     Недостатком схемы является изменение смещения при смене транзистора и изменении температуры окружающей среды.

 

1.4 Стабилизация режима в усилительном каскаде

1.4.1 Зависимость параметров транзистора от температуры

 

     При увеличении температуры происходит:

а) увеличение теплового тока коллектора I_к0

где a=0.08 (1/°С) – температурный коэффициент, Δt ‑ приращение температуры;

б) смещение входных характеристик влево (рис.1.9).

     Температурный коэффициент напряжения ТКН = –2,5 В/°С, а смещение

 ΔU_бэ = gΔt , где   g = (2,2…2,5)10 ^‑3.

в) увеличение коэффициента передачи по току β.

В результате смещается рабочая точка и изменяется режим усиления.

Рисунок 1.9 – Входная характеристика усилителя

     Для уменьшения влияния температуры, т.е. для стабилизации режима работы вводится цепь термостабилизации параметров или термокомпенсации.

 

1.4.2 Эмиттерная термостабилизация

 

     Схема обеспечивает высокую стабильность точки покоя. Используется последовательная отрицательная обратная связь (ООС) по току (рис.1.10), которая снимается с R_э. Смещение создается делителем напряжения R₁, R₂ и снимается с R₂. Конденсатор С_э ставится для предотвращения ОС по переменной составляющей в рабочей полосе частот, закорачивая R_э для частот

1/(ωС_э)<< R_э. Должно выполняться условие Х_c = 0,1×R_э.

Рисунок 1.10 – Схема эмиттерной термокомпесации

     При увеличении температуры окружающей среды увеличивается тепловой ток I_к0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток I_к коллектора (I_к = I_к0+βI_б). Это ведет к увеличению тока I_э эмиттера (I_э = I_к+ I_б) и падения напряжения U_Rэ на  R_э (U_Rэ= I_э R_э). Тогда смещение на базе U_бэ уменьшается, т.к. U_бэ= U_R2 – U_Rэ. Уменьшение U_бэ подавляет возрастание коллекторного тока, стабилизируя его значение.

1.4.3 Термокомпенсация рабочей точки

 

     Для получения большей стабильности и уменьшения рассеиваемой мощности можно применять нелинейные термочувствительные сопротивления: термисторы, диоды и другие нелинейные элементы с заметным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

     На (рис.1.11) применена термокомпенсация режима. Сопротивление термистора R_t в цепи делителя напряжения зависит от температуры – с увеличением температуры сопротивление термистора уменьшается.

Рисунок 1.11 – Схема усилителя с термистором в цепи ДН

     С повышением температуры увеличивается тепловой ток I_к0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток I_к коллектора, одновременно уменьшается сопротивление R_t,  уменьшается смещение U_б и уменьшается ток коллектора I_к.