Материал: Попов Э.Г. Основы аналоговой техники. Учеб. пособие для студ. радиотехнических спец
|
|
IБ |
IK |
|
|
|
|
IБ |
iБ1 |
IK |
2 |
|
iБ1 |
|
|
|
|
|
IБМ |
|
IБМ |
|
IКМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
t |
I0Б |
t |
I0K |
|
|
I0Б |
|
|
iБ2 |
|
|
|
1 |
|
|
UБ |
|
|
|
iБ2UK |
|
|
uБ |
|
U0K |
URK |
E0 |
|
|
UБМ |
|
|
UKM |
uK |
|
|
UБМ |
|
|
|
|
|
|
t |
|
UKM |
t |
|
|
|
а |
|
|
б |
|
|
|
|
Рис. 3.23 |
|
|
|
Характеристики, представленные на рис. 3.23, помогают правильно выбрать рабочую точку, продемонстрировать процесс прохождения сигнала со входа на выход усилительного каскада, позволяют определить его энергетические параметры и при некоторых дополнительных построениях дают возможность рассчитать графическим методом нелинейные искажения, возникающие в каскаде. Однако из-за больших разбросов параметров и вольтамперных характеристик биполярных транзисторов точность таких расчётов невелика. Поэтому в последнее время графические построения чаще применяются для качественного показа происходящих процессов и почти не используются для их количественного анализа.
3.3.2. Режим А
Режимом А называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. При этом рабочая точка выбирается на участке, который можно рассматривать как линейный для заданной амплитуды входного сигнала (рис. 3.23). Форма сигнала на выходе каскада, работающего в режиме А, сравнительно слабо отличается от формы сигнала на его входе. Как видно из рис. 3.23, амплитуда базового тока IБМ не может быть больше постоянного тока I0Б. В свою очередь амплитуда кол-
96
лекторного тока IКМ не превышает величину I0К. Средний ток, потребляемый коллекторной цепью из источника питания IСР, практически не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала (благодаря малым нелинейным искажениям и достаточно полной симметрии выходного тока относительно I0К).
Мощность, потребляемая коллекторной цепью от источника питания Р0, определяется постоянным током I0К и ЭДС Е0. Часть этой мощности PК рассеивается на коллекторе транзистора, а оставшаяся часть Р2 выделяется в нагрузке в виде полезного сигнала. Таким образом:
Р0 = РК +Р2 . |
(3.55) |
При отсутствии сигнала на входе мощность, отдаваемая в нагрузку, также равна нулю РН = 0, и вся потребляемая от источника питания мощность выделяется на коллекторе, что необходимо учитывать при расчёте каскадов, работающих в режиме А. Транзистор для такого каскада должен выбираться с мощностью рассеивания на коллекторе не ниже мощности Р0. Иначе транзистор будет перегреваться в паузах между сигналами.
Зависимость указанных мощностей от уровня входного сигнала представлена на рис. 3.24. Мощность, потребляемая из источника питания
Р0 = Е0I0K, |
(3.56) |
не зависит от уровня входного сигнала и представлена на рис. 3.24 в виде горизонтальной прямой линии. Мощность, отдаваемая в нагрузку:
|
U |
MK |
I |
MK |
|
U2 |
|
|
Р2 = |
|
|
= |
MK |
, |
(3.57) |
||
|
2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
2RH |
|
|||
квадратично зависит от амплитуды выходного и входного напряжения. Мощность, рассеиваемая на коллекторе РК, определяется как разносить между Р0 и Р2. Эта мощность изменяется с изменением входного напряжения по закону, обратному закону изменения Р2.
В случае использования режима А в мощном усилительном каскаде большое значение приобретает коэффициент полезного действия (КПД), равный
97
|
η= |
Р2 |
= |
IKM UKM |
= 0,5ξψ , |
(3.58) |
|
|
|||||
|
|
Р0 |
|
2I0K E0 |
|
|
где |
ξ = IKM/I0K и ψ = UKM/E0 – коэффициенты использования транзистора по |
|||||
току и по напряжению соответственно. Из рис. 3.23 видно, что для каскада с активным сопротивлением в цепи коллектора коэффициент использования транзистора по току в режиме А не может быть больше единицы, а коэффициент использования транзистора по напряжению не превышает 0,5. С учётом вышеизложенного теоретический КПД для рассматриваемого каскада в режиме А не превышает 25 %. Реальный КПД такого каскада лежит в пределах 8 – 12 %. Теоретический и реальный КПД могут
быть увеличены в два раза, если для свя- |
P0, PK, PH,η |
P0 |
зи с нагрузкой использовать трансфор- |
|
|
матор. В этом случае исчезают потери на |
PK |
|
активном сопротивлении RK, и коэффи- |
|
|
|
|
|
циент использования по напряжению ψ |
η |
PH |
увеличивается до единицы, а теоретиче- |
|
|
ское значение КПД возрастает до 50 %. |
|
uВХ |
На рис. 2.24 представлены зависимости |
|
|
|
|
|
P0, PK, PH, η от входного напряжения uВХ. |
Рис.3.24 |
|
Благодаря своим свойствам ре- |
|
|
жим А широко используется в каскадах предварительного усиления, обрабатывающих сигналы с малыми амплитудами, и гораздо реже применяется в усилителях мощности.
Все построения и выводы, рассмотренные выше на примере биполярного транзистора, в равной мере могут быть распространены на любой тип активного элемента.
3.3.3.Режим В
Врежиме В рабочая точка выбирается на пересечении спрямленной вольтамперной характеристики с осью напряжения рис. 3.25. При таком выборе рабочей точки базовый ток имеет форму импульсов. Коллекторный ток практически повторяет по форме базовый, так как связан с ним через коэффициент h21. Такой режим принято называть режимом с отсечкой тока. Работу усилительно-
го элемента с отсечкой тока удобно характеризовать величиной угла отсечки θ,
98
равного длительности косинусоидального импульса в угловом исчислении. Для режима В угол отсечки θ равен девяноста градусам.
При аппроксимации входной вольтамперной характеристики ломаной линией постоянный ток в цепи выходного электрода активного элемента должен отсутствовать, а длительность импульса переменного тока равна половине периода.
Однако реальная характеристика изменяется плавно, в результате чего ток покоя не равен нулю, а длительность импульса выходного тока несколько больше половины периода, и реальный режим В заметно отличается от идеального. Поэтому такой режим иногда называют режимом АВ.
Выходной косинусоидальный импульс тока с углом отсечки 900 (идеальный режим В) разлагается в ряд Фурье следующего вида:
i = iK = 0,318IMAX +0,5IMAX cos ωt +0,212IMAX cos 2ωt −
(3.59)
−0,0424IMAXc0s4ωt +0,0182IMAX cos 6ωt −...
Из (3.59) следует, что выходной ток для идеального режима В состоит из постоянной составляющей, первой гармоники и чётных гармоник, нечётные гармоники выше первой в выходном токе отсутствуют.
Постоянная составляющая выходного тока для активного элемента, работающего в режиме В, имеет вид
I0 = 0,318IMAX . |
(3.60) |
Амплитуда первой гармоники тока коллектора определяется коэффициентом, стоящим перед вторым членом ряда (3.59):
IKM = 0,5IMAX . |
(3.61) |
Энергетические соотношения для режима В:
P |
= I |
E |
|
= 0,318I |
|
|
|
E |
|
= 0,318E |
|
|
IKM |
= 0,636I |
|
E |
|
, |
(3.62) |
||||
|
|
|
|
|
0 0,5 |
|
|
||||||||||||||||
0 |
0 |
|
0 |
|
|
|
MAX |
|
0 |
|
|
|
|
KM |
|
0 |
|
|
|||||
P = |
IKM UKM |
= |
UKM2 |
= |
0,5IMAXUKM |
= 0,25I |
MAX |
U |
KM |
, |
|
|
(3.63) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
2 |
2 |
|
|
|
2R2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
99
где UKM – амплитуда напряжения на нагрузке, R2 – сопротивление нагрузки.
iБ |
iБ |
IБmax
I0Б |
UБ |
|
t |
|
|
||
|
U0Б |
θ |
2θ |
|
uБ |
|
|
t
IK |
iK |
iKmax
IБМ
|
|
|
Imax |
|
uK |
E0 |
UK θ |
2θ |
t |
|
UKM |
|
|
|
t
Рис. 3.25
Для коэффициента полезного действия η получаем следующее выраже-
ние:
η = |
P2 |
= |
0,25IMAXUKM |
= 0,786ψ. |
(3.64) |
|||
|
P |
|
0,318I |
MAX |
E |
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||
Как видно из (3.50), теоретический КПД для режима В стремится к величине 0,786, что заметно выше, чем для режима А. Особенно сильно это преимущество проявляется при усилении сигналов, подобных радиовещательному, непременно содержащему длительные паузы, в течение которых каскад
100