Материал: Попов Э.Г. Основы аналоговой техники. Учеб. пособие для студ. радиотехнических спец

усиления мощности, работающий в режиме В, почти не потребляет ток от источника питания.

Величина выходного тока IMAX линейно зависит от уровня входного сигнала, следовательно, согласно (3.60) и (3.62), такую же зависимость имеет величина среднего тока за период I0 и потребляемая каскадом мощность P0. Мощность в нагрузке Р2 зависит квадратично от входного сигнала (3.63). Мощность, рассеиваемая на выходном электроде активного элемента РК, определяется как разность между мощностями Р0 и Р2:

Из полученного выражения следует, что зависимость рассеиваемой мощности от входного сигнала и от коэффициента использования активного элемента по напряжению ψ носит экстремальный характер. Выразим РК в (3.65) через ψ и исследуем полученное выражение на экстремум:

Найдем производную по ψ от (3.65а), приравняем ее к нулю и найдем из полученного уравнения критическое значение ψКР, при котором рассеиваемая мощность будет максимальной:

Зависимости мощностей Р0, Р2 и РК от коэффициента использования активного элемента по напряжению представлены на рис. 3.26.

На рис. 3.26 приведена также зависимость коэффициента полезного действия η от ψ. Согласно (3.64) КПД в режиме В линейно зависит от коэффициента использования по напряжению и в критическом режиме ( ψ = ψКР = 0,636 ) равняется 0,5.

101

Режим В используется в двухтактных каскадах усиления мощности, со-

При работе в режиме С рабочая точка и амплитуда усиливаемого сигнала выбираются таким образом, чтобы иметь угол отсечки меньше 90о и по возможности полнее использовать активный элемент. В этом случае заметно увеличивается КПД каскада, уменьшается ток потребления от источника питания. Однако уровень всех высших гармоник (четных и нечетных) возрастает настолько, что режим С оказывается непригодным для усиления широкополосных гармонических сигналов.

Режим С используется в усилителях мощности, работающих на резонансную нагрузку, от которых требуется большой КПД (выходные каскады радиопередающих устройств), а также в умножителях частоты.

3.3.5. Режим D

Режимом D называют такой режим использования усилительного элемента, при котором он работает в качестве электронного ключа. При этом активный элемент может поочередно находиться только в двух состояниях: то полностью открытом, то полностью закрытом. В момент, когда активный элемент открыт, падение напряжения на нем близко к нулю. Когда же он заперт – ток в его выходной цепи отсутствует. В обоих состояниях мощность, рассеи-

102

ваемая активным элементом, близка к нулю, следовательно, практически вся энергия, потребляемая от источника питания, превращается в энергию полезного сигнала. В результате КПД каскада, работающего в режиме D, стремится к 100 %.

Однако такой режим в чистом виде применяется только в устройствах, в которых допустимо иметь на выходе усиленный импульсный сигнал прямоугольной формы с постоянной амплитудой (примерно равной напряжению источника питания) независимо от амплитуды сигнала на входе. Широкое применение такой режим находит в устройствах вычислительной техники и системах управления.

Для усиления гармонических сигналов произвольной формы и амплитуды предварительно необходимо преобразовать эти сигналы в прямоугольные импульсы с постоянной амплитудой, ширина которых пропорциональна мгновенному значению сигнала. Частота следования импульсов выбирается существенно более высокой, чем наивысшая частота усиливаемого сигнала. Полученные после преобразования сигналы с широтно-импульсной модуляцией усиливаются усилителем класса D с высоким КПД, после чего снова преобразуются в сигнал первоначальной формы. Однако схема такого усилителя оказывается довольно сложной, и в ней затрудняется борьба с нелинейными искажениями, что и ограничивает область применения усилителей класса D.

3.4.Цепи питания активных элементов

3.4.1.Общие положения

Активные элементы могут нормально функционировать только при наличии источника питания, энергия которого с их помощью превращается в энергию полезного сигнала. Цепи питания, связывающие источник энергии с активным элементом, должны удовлетворять следующим требованиям:

а) обеспечить условия для задания необходимой рабочей точки; б) стабилизировать положение рабочей точки в процессе работы.

Необходимость стабилизации рабочей точки диктуется тем, что в процессе эксплуатации на активный элемент действует большое количество дестабилизирующих факторов (изменение состояния окружающей среды, нестабильность источников питания, изменение нагрузки, старение элементов

103

схемы, замена в случае ремонта элементов, потерявших работоспособность, и т.д.). Нестабильность рабочей точки каскада ведет к изменению условий работы всего усилителя, изменению его параметров, появлению искажений, особенно нелинейных. При разработке цепей питания немаловажное значение имеет их простота и экономичность.

Для активных полупроводниковых элементов основным дестабилизирующим фактором является изменение температуры. В основном все усилия по стабилизации рабочей точки направляются на борьбу с этим неприятным явлением.

Для биполярных транзисторов изменение температуры приводит к изменению коэффициента усиления по току h21, изменению обратного тока коллектора IКО и сдвигу входной вольт-амперной характеристики.

При повышении температуры на один градус свыше 25о параметр h21 увеличивается на 0,4 – 0,5 %, а при снижении температуры ниже 25о уменьшается на 0,2 – 0,3 % на каждый градус. Кроме того, замена транзистора может привести к изменению h21 в 2 – 3 раза из-за разброса этой величины, существующего даже для транзисторов одной серии.

Обратный ток коллектора зависит от температуры следующим образом:

значении напряжения на базе U0Б приводит к изменению тока базы, а затем и

104

тока коллектора, связанного с током базы через параметр h21. Сдвиг характеристики ∆U0Б, показанный на рисунке, оценивается следующим выражением [1]:

где (t0MAX − t0MIN ) – перепад температур,

0,06 – величина, учитывающая технологический разброс параметров [1]. Для оценки температурной нестабильности довольно часто используют коэффициент нестабильности S, равный отношению приращения тока коллек-

тора к приращению обратного тока коллектора:

Такой подход не отражает влияния двух других факторов (h21, ∆U0Б) на нестабильность рабочей точки и не позволяет рассчитать элементы схемы для получения заданной нестабильности. В [1] приводится более наглядная методика, позволяющая рассчитать приращение тока коллектора при заданном приращении температуры для различных схем питания. В данном случае реальный транзистор заменяется идеальным (не подверженным влиянию температуры) с генераторами тока и напряжения, включенными в его входную цепь (рис. 3.28) и отражающими температурную нестабильность реального транзистора.

∆U0Б

Генератор напряжения ∆U0Б включен последовательно с входными зажимами транзистора и отражает температурную нестабильность, зависящую от сдвига входной вольт-амперной характеристики. Величина напряжения этого

105