Література: Головин, с.15-33.Скаржепа В.А., Сенько В.И. Электроника и микросхемотехника

Література:		Бойко В.І., Гуржій А.М.Основи технічної електроніки, 2007
		Бойко В.І., Гуржій А.М., Жуйков В.Я. Основи схемотехніки електронних систем, 2004
		Гуржій А.М.,Самсонов В.В., Поворознюк Н.І. Імпульсна та цифрова техніка, 2005
		Джонс М.Х. Електроніка-Практичний курс, 2006
		Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы, 2002
		Колонтоєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка, 2003
Самостійно	год.	Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители 1. Побудова наскрізної характеристики підсилювача [7], с. 174-175 Режими роботи класу А, АВ, В, С [6], с. 71-72; Скаржепа В.А., Сенько В.И. Электроника и микросхемотехника, с. 69-70

__________________________________________________________________________________________________

Мета: повинні знати режими роботи ПЕ та підсилювача за постійним струмом.

Рефлексія: що ви повинні вивчити в даній лекції?

 

Підсилювачі відрізняються один від одного кількістю каскадів, режимом роботи. Але усім їм притаманні загальні принципи побудови.

Режим роботи підсилювача за постійним струмом називається режимом спокою. Він характеризується струмом спокою та напругою спокою вихідного кола. Щоб задати режим спокою, використовують спеціальні схеми зміщення напруги.

При розрахунку каскадів попереднього підсилення (рис.1) лінію навантаження постійного струму використовують для визначення положення точки спокою на сімействі вихідних статичних характеристик підсилювального елементу по відомій напрузі живлення вихідного ланцюга Е_К, опору навантаження вихідного ланцюга постійному струму R _К і напрузі (або струму) зміщення вхідного ланцюга. Для підсилювального каскаду, що має у вихідному ланцюзі підсилювального елементу опір постійному струму R_К , струм у вихідному ланцюзі І_К і напруга між вихідними електродами підсилювального елементу U_КЕ визначаються рівнянням

U_КЕ = Е_К – I_К R_K (1)

Вираз (1) є рівнянням лінії навантаження постійного струму; у координатах u_КЕ,, i_К вона є прямою лінією.

Рис.1

 

На сім'ї вихідних статичних характеристик побудуємо лінію навантаження (рис.2.21).

 

Для цього розглянемо режими холостого ходу (Х.Х.) та короткого замикання (К.З.),

Для режиму Х.Х.:

Якщо І_К0 = 0, то U_КЕ = Е_К.

Точки перетину лінії навантаження з будь-якою ВАХ називаються робочими точками і відповідають певним значенням вихідного струму та вихідної напруги. Якщо, наприклад, І_Б = І_Б0, то цьому відповідає точка Р, для якої

U_вих = U_К0, І_вих = І _К0. U_К0 = Е_К – I_К0 R_K

Точка перетину прямої навантаження постійного струму із статичною вихідною характеристикою для заданої напруги зміщенняі або струму вхідного ланцюга характеризує режим роботи підсилювального елементу при відсутності сигналу і називається точкою спокою (точка Р на рис. 2.21), координати цієї точки визначають струм спокою І_К0 вихідного ланцюга і напругу спокою U_К0 між вихідними електродами підсилювального елементу.

Незалежно від схеми включення біполярного транзистора він може працювати у трьох основних режимах, що визначаються полярністю напруги на емітерному U_Е та колекторному U_К переходах:

1) режим відсічки (U_Е <0, U_К <0);

2) активний режим (U_Е >0, U_К <0);

3) режим насичення (U_Е >0, U_К >0).

Коли робоча точка лежить у межах відрізка аб, транзистор працює в активному (підсилювальному) режимі, де змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного.

Якщо робочу точку намагатися задати нижче точки б, транзистор переходить до режиму відсічки (транзистор відсікає протікання струму у силовому колі).

Якщо робочу точку задавати вище точки а – транзистор знаходиться в режимі насичення, якому відповідає точка а.

У режимі насичення через транзистор протікає струм

І_КН = Е_К / R_К.

Для того щоб транзистор увішов до режиму насичення, необхідно забезпечити струм бази не менший за І_БН = І_КН /β.

Ступень насичення характеризується коефіцієнтом насичення

S= І_Б / І_БН (S>1, тому що тут І_Б > І_БН).

В активному режимі S<1.

До основних параметрів біполярних транзисторів належать:

-максимально допустимий струм колектора І_Кдоп, що становить (0,01…100)А;

-допустима робоча напруга U_КЕдоп, що становить (20…1000)В;

-коефіцієнт передачі по струму β=20…50;

- допустима потужність на колекторі Р_Кдоп (якщо Р_К<0,3 Вт, маємо транзистор малої потужності, якщо Р_К = 0,3…1,5 Вт – середньої потужності, якщо Р_К > 1,5 Вт – великої потужності).

Режим спокою (режим роботи за постійним струмом) характеризує клас роботи підсилюючого каскаду. Ним визначаються призначення, к.к.д, величина нелінійних спотворень (ступень порушення пропорційності вхідного і вихідного сигналів) та інші параметри каскаду.

Найбільш широко застосовують чотири класи, які називають – А, В, С, D.

Режимом класу А називають такий режим роботи ПЕ, при якому струм у вихідному ланцюзі існує на протязі всього періоду сигналу.

При роботі підсилювача у режимі класу А точку спокою Р, якій відповідають струми І _ОК, І _{ОБ ,} напруга U _ОК, вибирають посередині вихідної динамічної характеристики за постійним струмом, як показано на рис.3.5 (транзистор увімкнений за схемою з СЕ). Це досягається подачею відповідного струму, або напруги зміщення во вхідне коло.

 

а₁б₁ – ділянка активного режиму роботи транзистора, де нелінійні спотворення мінімальні; Малий к.к.д. є основним недоліком режиму класа А (η=0,25…0,3), бо в режимі спокою споживається значна потужність. Тому клас А застосовують переважно у каскадах попереднього підсилення.

Режимом класу В називають такий режим роботи ПЕ, при якому струм у вихідному ланцюзі існує на протязі примірно половини періоду сигналу.

Якщо підсилювач працює у режимі класу В, точка спокою вибирається на межі між активним режимом та режимом відсічки: її положення приблизно відповідає точці а₁ на рис.3.5, для цього во вхідне коло вводять зміщення необхідної величини.

При роботі ПЕ в режимі В його вихідний струм існує протягом половини періоду підсилюваного сигналу, протягом іншої половини періоду він рівний нулю (для випадку, що ідеалізується), тобто струм спокою у реальному каскаді має мале кінцеве значення.

При роботі ПЕ з відсічкою вихідного струму зручно ввести кут відсічки θ, рівний половині тієї частини періоду сигналу, протягом якої існує вихідний струм, в ідеальному каскаді θ = π/2, ареальному каскаді θ > π/2. ( Цей режим для реального каскаду називають режимом класу АВ – проміжний між А і В).

В цьому режимі нелінійні спотворення великі, а к.к.д. більший ніж у режимі класу А (η=0,6…0,7).

Основна перевага режима В є мале споживання енергії джерела живлення.

Недоліком є те, що ПЕ напівперіода закритий і отже підсилює тільки один напівперіод вхідного сигналу, використовується тільки в двотактних схемах.

Режимом класу С називають такий режим роботи ПЕ, при якому струм у вихідному ланцюзі існує менше половини періоду сигналу.

При роботі підсилювача в режимі класу С точка спокою лежить на ділянці відсікання а₁а (рис.3.6). У цьому разі θ < π/2, η=0,85.

К.к.д. ще більше ніж у класі В, так як споживання енергії джерела живлення менше ніж в режимі класу В через відсутність струму спокою.

Класи В і С застосовують при побудові підсилювачів потужності, причому підсилення додатної та від'ємної півхвиль сигналу забезпечується у цьому разі окремими найпростішими каскадами, що являють собою єдиний каскад підсилення змінного струму.

Режимом класу D або ключовим режимом називають такий режим, при якому ПЕ під час роботи знаходиться тільки в двох станах: або закритий і струм, який протікає через нього дорівнює нулю, або відкритий і падіння напруги між вихідними електродами близько до нуля.

При ключовому режимі роботи втрати енергії в ПЕ дуже малі і к.к.д. η ≈ 1.

Режим D використовується в пристроях для підсилення прямокутних імпульсів довільної тривалості і скважності - застосовуються в електронно-обчислювальних машинах, в пристроях керування і регулювання.

Підсилювальні елементи (ПЕ) –транзистори або електронні лампи- можуть працювати у режимах А, В, АВ, С, D. Режим роботи визначається постійною напругою між електродами і струмами, що протікають у колах цих електродів.

Постійна напруга між електродами на вході підсилювача, називається напругою зміщення, або просто «зміщення». Величина зміщення визначає положення точки спокою на вхідній ВАХ ПЕ.

Режими роботи, які використовують у підсилювачах потужності РПП:

1 Режим класу А

За рахунок зміщення точку спокою встановлюють приблизно в середній частині вхідної динамічної характеристики. ПЕ працює без відсікання струму. Графічне зображення роботи підсилювача у режимі класу А на рис.1.

При подачі на вхід підсилювача сигналу струм у вихідному колі тече протягом всього періоду. ПЕ працює тільки в активому режимі. В режимі класу А амплітуда зміної складової струму повинна дорівнювати або бути меншою за постійний струм.

При підсиленні гармонійних коливань форма вихідного струму такж наближається до гармонійної. Цей фактор вказує на незначнінелінійні спотворення сигналу у режимі класу А. Завдяки йому підсилювачі можна робити широкосмуговими, тобто без фільтрів. Ці важливі переваги обумовлюють широке застосування режиму А у попередніх потужних каскадів РПП.

Основним недоліком режиму класа А є відносно низький к.к.д., який не перевищує 50 %. Реально к.к.д. підсилювача в режимі класу А становить приблизно 20-30 %. Затрачена потужність Р₀ = І_К0 • Е_К дуже велика.

 

2 Режим класу В

Зміщення береться таким, щоб робоча точка спокою була розташована на низу вхідної динамічної характеристики. При цьому ПЕ в режимі спокою закритий (відсічка), або ледь відкритий. Графічно режим В зображено на рис. 2.

 

При подачі на вхід гармонійного сигналу струм у підсилювачі тече тільки протягом півперіоду, коли діє на вході півхвиля відпираючої полярності.

Струм носить пульсуючий характер, але амплітуда імпульсів вихідного струму велика, тому що для підсилення використовується вся ВАХ.

Кутом відсікання θ вихідного струму називається половина тієї частини періоду у градусах, протягом якої тече струм через ПЕ Θ_В = 90°. Для режиму класу А - Θ_В = 180°.

Основним недоліком режиму В є значні нелінійні спотворення сигналу, які можуть становити до 40%.

В режимі В підсилювач споживає від джерела живлення найменшу потужність, тому що І_К0 дуже малий, І_К0 ≈ 0. К.к.д. в режимі В теоретично дорівнює 78%, реально приблизно 60%-70%. Режим класу В має найвищі економічні показники: І_m, P_H, коефіцієнт підсилення – тому вважається оптимальним для підсилювача потужності РПП.

3 Режим класу АВ

Цей режим проміжний між режимами А і В. Графічно роботу підсилювача в режимі АВ показано на рис.3.

Постійний струм у режимі АВ І_К0 становить приблизно (0,1-0,15) І_Кm. Вихідний струм тече протягом півхвилі, коли на вході діє сигнал відкриваючої полярності і частку півхвилі, коли діє сигнал запираючої полярності. Таким чином, кут відсікання струму у режимі АВ дорівнює - 180° > Θ_АВ > 90°.

За своїми якісними показниками режим АВ середній між А і В. Використовують його також у підсиювачах потужності РПП, але він не є оптимальним для них.

4 Режим класу С

Точка покою береться за межами вхідної динамічної ВАХ. Транзистор при відсутності корисного сигналу знаходиться у стані відсікання. Тому І_Б0 і йому відповідний І_К0 дорівнює нулю. Через транзистор тече тільки зворотний струм, обумовлений неосновними носіями. Але він дуже малий і ним нехтують. Таким чином, у стані спокою підсилювач не споживає енергію від джерела живлення. Графік роботи підсилювача у режимі класу С показано на рис.4.

5 Режим класу Д

Це, так званий, «ключовий» режим. У підсилювачах гармонійних сигналів цей режим не використовують.