Режимы работы усилительного элемента

В зависимости от того, как расположена на передаточной характеристике исходная рабочая точка (точка покоя), различают несколько классов усиления: А, В, АВ и др. Классы различаются значениями к.п.д. и величинами искажений сигнала.

Класс А характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена в середине квазилинейного участка передаточной характеристики (рис. 23.1).

Рисунок 23.1 - Режим класса А. Расчёт выходного напряжения (a) и тока (б)

 

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал.

Из рис. 23.1 видно, что в этом режиме, что максимальное выходное напряжение и максимальный выходной ток равны:

; ,

тогда КПД, определяемое, как отношение мощности выходного сигнала к мощности, отбираемой от источника питания h равно:

 (или 25%)                                                       (23.1)

Очевидно, что в этом режиме искажения сигнала будут минимальными

Класс В характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе квазилинейного участка, а именно на той, которая соответствует запертому состоянию транзистора (рис. 23.3).

Рисунок 23.3 - Режим класса В. Расчёт выходного напряжения (a) и тока (б)

 

 

Очевидно, что в этом случае усиливаются только положительные полуволны входного сигнала. Поэтому выходное напряжение оказывается существенно несинусоидальным. Другими словами ему присущи существенные искажения входного сигнала.

Для класса В характерная так называемая двухтактная схема, состоящая из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой - отрицательную В нагрузке эти полуволны складываются и образуют полную синусоиду.(рис. 23.4)

Рисунок 23.4 Принцип действия двухтактного усилителя

 

Коэффициент полезного действия такой системы можно оценить, исходя из того, что мощность, рассеиваемая в каждой из его половин, одинакова. Следовательно достаточно рассчитать мощность в течение одного полупериода. Т.к. из рис. 23.3 следует, что , (среднее значение синусоидального тока за половину периода). Тогда, учитывая (23.1) КПД принимает значение

 (т.е.78%)

(Как правило реализацию двухтактной схемы организуют на комплиментарных транзисторах (см. ниже)

Примером двухтактной системы является простейшая схема класса В, выполненная на комплиментарных (npn и pnp) транзисторах (рисунок 23.6).

Рисунок 23.6 Схема (a) и передаточные характеристики (б) двухтактного усилительного каскада класса В на комплиментарных структурах.

 

 

Нагрузка включена в эмиттерную цепь транзисторов; следовательно они работают в режиме повторителей напряжения. Усиление мощности обусловлено усилением тока.

В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны нулю. Во время положительной полуволны входного сигнала открыт npn транзистор Т1, ток через нагрузку протекает по штриховой стрелке 1. Во время отрицательной полуволны открыт pnp транзистор Т2 и ток протекает по штриховой стрелке 2. Таким образом выходной сигнал двуполярный, как и входной. Однако, как следует из рис.22,6б такой простой схемы свойственны искажения. Для устранения таковых схему усложняют.

Под классом АВ понимают промежуточный случай между классом А и В: исходная рабочая точка лежит не на границе отсечки, а в области прямых смещений эмиттерного перехода, но при токах, значительно меньших, чем в классе А. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается.

Рисунок 23.7 Режим класса АВ. В режиме покоя через транзистор протекает небольшой ток покоя Iк0 выводящий основную часть рабочей полуволны входного гармонического сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью

 

 Сравнение режима В и АВ приводится на рис. 23.8.

Рисунок 23.8 Сравнение управляемого тока для режимов В (вверху) и АВ (внизу)

 

В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. (См. рис. 23.9). Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну.

Рисунок 23.9 Режим класса С

 

В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнал невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы (см. рис. 23.10).

Рисунок 23.10 Форма сигнала усилительного каскада в режиме С

 

 

В режиме D (digital - цифровой) прямоугольная форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. (см. схему на рис. 23.11). Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами миллиОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности.

Рисунок 23.11 Структурная схема усилителя касса Д (на МОП транзисторах) без петли обратной связи

Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.

В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления:

Как отмечалось, режимы отличаются величиной нелинейных искажений и значением КПД.

 

Лекция 24

Электровакуумные приборы

Электронные лампы

Электровакуумный прибор — устройство, предназначенное для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в котором рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы непроницаемой оболочкой.

К таким приборам относят как вакуумные электронные приборы (см. рис 24.1), в которых поток электронов проходит в вакууме (см., напр., клистрон), так и газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе. Так же к электровакуумным приборам относятся и лампы накаливания.

Рисунок 24.1 - Вид электровакуумного прибора

Виды электронной эмиссии

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)):  , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: , где j — работа выхода электронов из катода, Т — термодинамическая температура, А — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

 

 

Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия

Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект — эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.