Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обеспечение и стабилизация режима работы усилительного элемента по постоянному току

1.1 Режим работы усилительного элемента

Различают активный и ключевой режимы работы усилительного элемента (УЭ). Активный режим используется в АЭУ и соответствует определенному постоянному напряжению или току на управляющем электроде. Это постоянное напряжение называется смещением.

Режим работы УЭ при отсутствии сигнала на его входе называют режимом по постоянному току. В некоторых учебниках этот режим называют статическим или режимом покоя. В этом случае в цепях УЭ протекают только постоянные составляющие токов, определяемые рабочей точкой или точкой покоя. Рабочая точка соответствует заданному смещению.

При наличии U_вх входного сигнала в цепях УЭ появляются переменные составляющие токов и напряжений, что соответствует режиму по переменному току. Последний различается на режим слабого сигнала (предварительные каскады), когда входной сигнал мал, и режим сильного сигнала (выходной каскад), когда на входе большая амплитуда усиливаемого сигнала.

Режим сильного сигнала в свою очередь подразделяется на режимы А, В, АВ и С.

В режиме А рабочая точка выбирается на середине линейного участка проходной характеристики. При этом ток выходной цепи протекает без отсечки (рис 1., а). Ток покоя I₀ превышает амплитуду выходного тока I_твых.

Рис 1. Работа усилительного элемента: а - в режиме А; б - в режиме В

Преимуществом режима А является малый коэффициент нелинейных искажений, так как рабочая область характеристики располагается на линейном участке. Недостатком режима А является большой ток , т. е. большое потребление энергии от источника питания, что определяет незначительный коэффициент полезного действия.

з=P_вых/P_{0 ,}

где P₀=EI₀ - потребляемая мощность

В режиме В рабочая точка выбирается на изгибе проходной характеристики. Ток в выходной цепи существует в течение половины периода, т.е. в режиме В имеет место отсечка выходного тока (рис 1., б).

При идеальном режиме В угол отсечки 90. Ток покоя близок к нулю. Однако в действительности из-за нелинейной характеристики транзистора I_о оказывается равным 8-10% I_max. Угол отсечки несколько превышает 90°. Преимуществом режима В является высокий кпд, недостатком - большой коэффициент нелинейных искажений. Режим В применяется в усилителях мощности по двухтактной или симметричной схеме.

Режим С характеризуется углом отсечки меньше 90° , еще большим кпд. Он используется в радиопередающих устройствах.

Ключевым режимом или режимом Д называют такой режим работы усилительного элемента, при котором он во время работы находится только в двух состояниях: в полностью закрытом, когда ток в его выходной цепи отсутствует, или полностью открытом, когда падение напряжения между выходными электродами близко к нулю. В режиме Д можно получить высокий КПД. Ключевой режим применяется в импульсных и цифровых устройствах.

1.2 Цепи подачи смещения

Подача смещения может быть реализована с помощью дополнительного источника питания E_см. Этот способ практически не используется, так как применение двух источников питания нерационально.

В каскадах на электронных лампах и полевых транзисторах используется способ автоматического смещения. Элементами автоматического смещения в этих схемах являются R_к и R_и. По переменной составляющей эти резисторы зашунтированы С_к и С_и. Следовательно, на этих резисторах происходит падение напряжения

U_см=I_а0R_н=I_coR_н.

Падение напряжения на R₁ отсутствует, так как ток, протекающий по этой цепи равен нулю.

Рассмотрим способы подачи смещения в каскадах на биполярных транзисторах. Для установления необходимого рабочего режима на базу р-n-р транзистора относительно эмиттера нужно подать небольшое отрицательное смещение (0,05-0,5 В). Это смещение желательно получить от источника E_к, чтобы исключить второй источник питания.

Первый способ подачи смещения фиксированным током базы при помощи гасящего сопротивления R1 показан на рис 2,а. R1 и образуют делитель напряжения, причем R1>>r_эб. Следовательно, ток смещения в цепи базы определяется только номиналом R1

I_б0=Е_к/R1

Этот постоянный ток является смещением. Если смещение необходимо выразить напряжением, то оно определяется как падение напряжения U_см=I_боr_эб.

Рис 2. Схемы подачи смещения: а - фиксированным током; б - фиксированным напряжением.

Схема проста (мало элементов), однако имеет следующий недостаток: при смене транзистора требуется индивидуальный подбор R1. Кроме того, изменение обратного тока сильно влияет на режим работы.

Смещение фиксированным напряжением достигается с помощью делителя R1R2. Для того, чтобы было постоянным и определялось только падением напряжения на R2, делитель R1R2 должен быть низкоомным, т.е. R2<<r_эб.

В этом случае изменение при замене транзисторов почти не влияет на общее сопротивление , так как параллельное соединение определяется наименьшим сопротивлением R2. Следовательно, напряжение смещения определяется , где ток делителя I_д =Е/(R1 + R2).

Сопротивления R1 и R2 в такой схеме можно рассчитать по следующим формулам:

Этот способ не экономичен, однако находит широкое применение, так как остается постоянным при замене транзистора и изменении температуры.

1.3 Стабилизация рабочей точки биполярных транзисторов

Как известно, все параметры биполярного транзистора имеют сильную температурную зависимости. Если не предусмотреть специальные схемы стабилизации, то рабочая точка в зависимости от температуры будет передвигаться, что может привести к выходу ее за пределы рабочей области характеристики. Так, например, обратный ток коллектора в сильной степени зависит от окружающей температуры:

,

где А - коэффициент, зависящий от технологии производства транзистора.

При увеличении температуры на 10С увеличивается в два раза. Такое явление вызывает изменение коллекторного тока и режима работы. Изменение также может быть вызвано изменением коэффициента усиления и изменением питающих напряжений во времени. Широкое применение находят коллекторная и эмиттерная схемы стабилизации режимов работы транзисторов. Надо отметить, что все схемы стабилизации реализованы с использованием отрицательной обратной связи по постоянному току. В схеме коллекторной стабилизации ток смещения зависит от потенциала коллектора U_к0, который определяется U_к0=Е-I_кR_н. Если увеличится , то уменьшается ток смешения I_б0=(Е-I_кR_н)/R1, что приводит к снижению . Процесс автоматического управления при уменьшении тока коллектора происходит обратным образом. Принцип действия коллекторной стабилизации основан на применении отрицательной обратной связи по напряжению.

Коллекторная стабилизация в случае подачи смещения с помощью делителя объясняется следующим образом:

I_д= (Е-I_кR_н)/(R1 + R2); U_см= I_д R2

Рис 3. Схемы коллекторной стабилизации рабочей точки.

При повышении температуры увеличивается ток коллектора, следовательно, возрастает падение напряжения на сопротивлении нагрузки, вследствие чего уменьшается потенциал коллектора. Это приводит к уменьшению напряжения смещения, следовательно, к уменьшению тока коллектора. Более высокую стабильность рабочей точки обеспечивает наиболее распространенная схема эмиттерной стабилизации.

Напряжение смещения в этой схеме равняется . Принцип действия эмиттерной стабилизации состоит в следующем. Допустим, за счет повышения температуры в схеме возрастают токи и . При этом растет падение напряжения на , что уменьшает напряжение смещения. Снижение напряжения смещения, в свою очередь, ведет к уменьшению токов и . Чтобы исключить обратную связь по переменной составляющей, необходимо зашунтировать большой емкостью .

Рис 4. Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки

Стабильность рабочей точки повышается при использовании схемы комбинированной стабилизации (рис 5), в которой объединены оба рассмотренных способа. Коллекторная стабилизация рабочей точки в этой схеме обеспечивается за счет включения в цепь коллектора элементов развязывающего фильтра. При увеличении температуры увеличивается I_к и падение напряжения I_кR_ф. Вследствие чего уменьшается потенциал точки 1, что приводит к уменьшению напряжения смещения. Следовательно, уменьшается ток коллектора, т.е. происходит стабилизация режима работы транзистора.

Рис 5. Схема комбинированной стабилизации рабочей точки.

усилительный смещение транзистор биполярный

Когда требуется уменьшить нестабильность тока покоя, вызываемую лишь изменением температуры, используются схемы температурной стабилизации (рис 6).

Рис. 6. Схемы температурной стабилизации: а - с помощью терморезистора; б - с помощью диода.

В принципиальной схеме усилителя с температурной стабилизацией, приведенной на рис. 6.а, в нижнем плече делителя устанавливается терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом. При повышении температуры его сопротивление падает, следовательно, уменьшается напряжение смещения, что вызывает уменьшение токов коллектора и эмиттера.

Температурная стабилизация может быть осуществлена с помощью полупроводниковых диодов (рис. 6.б). С повышением температуры возрастает обратный ток диода, следовательно, возрастает напряжение на сопротивлении и уменьшается напряжение смещения, компенсируя возрастания обратного тока транзистора.

Размещено на Allbest.ru