Построение проходной динамической характеристики.

ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

План

1. Общая характеристика выходных каскадов усилителей.

2. Построение проходной динамической характеристики. Режимы работы выходного каскада.

3. Выходной каскад с трансформаторной связью. Работа в режиме А.

4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

5. Двухтактные выходные каскады, физические процессы в схеме, режимы работы.

6. Графическое пояснение принципа работы безтрансформаторного двухтактного выходного каскада в режиме В.

7. Широкополосные усилители, принципиальная схема, назначение элементов схемы.

 

Общая характеристика выходных каскадов усилителей.

Выходной каскад усилителя предназначен для отдачи заданной величины мощности сигнала в заданное сопротивление нагрузки. По сравнению с каскадами предварительного усиления выходные каскады имеют ряд особенностей.

Обычно предварительные каскады усиления выполняются на маломощных транзисторах и потребляют от источников питания незначительную мощность. Амплитуда входного сигнала в этих усилителях в большинстве случаев невелика, и рабочий участок характеристики транзистора можно считать линейным. Поэтому при рассмотрении работы каскадов предварительного усиления не интересуются коэффициентом полезного действия каскада, а не­линейные искажения сигнала считают ничтожно малыми.

Поскольку выходные каскады потребляют от источников пита­ния значительно большую мощность, то их коэффициент полезного действия должен быть достаточно высоким, так как, в конечном счете, он определяет экономичность всего усилителя. Для выделения в нагрузке заданной мощности на вход каскада мощного усиления подается большая амплитуда сигнала, захватывающая значитель­ную область характеристик транзистора. Поэтому увеличение мощности, развиваемой усилителем в нагрузке, сопровождается возра­станием нелинейных искажений. Следует также иметь в виду, что из-за большой амплитуды входного сигнала параметры транзистора за период сигнала изменяются в широких пределах. В связи с этим расчет отдаваемой каскадом мощности, его коэффициента усиления и коэффициента нелинейных искажений производят графическим способом по характеристикам транзистора, так как при аналити­ческом расчете этих величин с использованием малосигнальных параметров транзистора могут быть допущены большие ошибки.

Величина максимальной неискаженной мощности и к. п. д. оконечного каскада зависит от типа транзистора, режима работы и схемы каскада. При небольшой выходной мощности (от милли­ватт до десятых долей ватта) в каскадах мощного усиления приме­няют те же транзисторы, что и в предварительных каскадах.

Для получения средней и большой мощности (единицы — десят­ки ватт и выше) используются специальные мощные транзисторы.

В выходных каскадах, так же как и в предварительных, чаще всего используется схема с общим эмиттером. В этом случае коэф­фициент усиления сигнала по мощности получается наибольшим и, следовательно, требуются наименьшая выходная мощность от предыдущего каскада и наименьшее усиление or предварительного усилителя.

Отметим также, что выходные каскады усилителей могут быть построены по однотактной или двухтактной схемам, существенно отличающимся друг от друга.

 

Построение проходной динамической характеристики.

Прежде чем рассматривать схемные особенности выходных каскадов, остановимся на характеристике возможных режимов их работы.

Найдем графическую зависимость выходного тока транзистора от напряжения на его входе I _ВЫХ = φ(U _BX). Такая зависимость получила название проходной динамической характеристики тран­зистора.

Рассмотрим порядок ее построения для транзистора типа прп, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 13.14). Для по­строения этой характеристики необходимо;

a) в семействе статических выходных характеристик транзистора по заданным величинам Е _К и R _Н построить нагрузочную прямую АВ (рис. 13.14, а);

 

Рис. 13.14. Построение проходной динамической характеристики транзистора:

а — нагрузочная прямая в семействе выходных статических характеристик;

б — входная характеристика; в — проходная динамическая характеристика

 

b) отметить точки пересечения нагрузочной прямой со статиче­скими характеристиками (1, 2, 3 и т. д.) и найти соответствующие этим точкам величины выходного тока (тока коллектора) и вход­ного тока (тока базы) (рис. 13.14, а);

c) перенести найденные значения тока базы на входную статическую характеристику транзистора, снятую при U _КЭ ≠ 0(обычно U _КЭ =5 В) (рис. 13.14, б);

d) по оси абсцисс графика входной характеристики найти значения входных напряжений (U _БЭ), соответствующие каждому значению тока базы (в точках 1 ', 2 ', 3' и т. д.) (рис. 13.14, б);

e) каждому значению напряжения U _БЭ найти соответствующие значения тока I _K (отмеченные ранее в семействе выходных характе­ристик) и построить график зависимости I _K = f (U _БЭ), т. е. I _ВЫХ = f (U _BX) (рис 13.14, в).

В зависимости от выбора рабочей точки на проходной динамической характеристике транзистора различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В и АВ.

Для работы каскада в ре­жиме А на базу подается такое напряжение смещения, чтобы рабочая точка Р, оп­ределяющая исходное состоя­ние схемы при отсутствии входного сигнала, располага­лась примерно на середине прямолинейного участка ха­рактеристики (рис. 13.15, а).В этом режиме напряжение смещения U _БЭР по абсолют­ной величине всегда больше амплитуды входного сигнала (U _БЭр ≥ U_mBX),а ток покоя I _Kp всегда больше амплитуды переменной составляющей вы­ходного тока (I _Kp > I _{K т}). Поэтому в режиме A при подаче на вход каскада синусоидального напряжения в выходной цепи будет протекать ток, изменяющийся также, по синусоидальному закону. Это обусловливает минимальные не­линейные искажения сигнала. Однако этот режим является наименее экономичным. Дело в том, что полезной является лишь мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока, а потребляемая мощность определяется значи­тельно большей величиной постоянной составляющей. Поэтому к.п.д. усилительного каскада в режиме А составляет лишь 20− 30%. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления или маломощные выходные каскады.

 

Рис. 13.15. Графики, иллюстри­рующие работу усилительного каскада в режимах:

а –класса А; б –класса В; в –клас­са АВ

 

В режиме В (рис. 13.15, б) рабочая точка выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю. При подаче на вход сигнала ток в вы­ходной цепи каскада протекает лишь в течение половины периода изменения напряжения сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульсов с углом отсечки (углом отсечки принято называть половину той части периода, в течение которого прохо­дит ток). Режим В характеризуется высоким к. п. д. усилителя (60-70%), так как постоянная составляющая выходного тока значительно меньше, чем в режиме А ¹. Однако режим В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала, вследствие чего этот режим используется главным образом в мощных двухтактных каскадах усиления.

Режим АВ является промежуточным между режимами А и В (рис. 13.15, в)².

¹⁾ Разлагая импульсы тока коллектора в ряд Фурье, можно доказать, что для режима В постоянная составляющая (среднее значение тока за период) составляет приблизительно т.е. .

²⁾ Кроме основных режимов (А, В и АВ), в усилителях могут быть установлены режимы класса С и Д. В режиме С ток протекает в цепи меньше половины периода В режиме Д усилительный элемент работает как ключ: транзистор или полностью открыт (насыщение), или полностью заперт (отсечка). Несмотря на высокую экономичность этих режимов, они применяются редко из-за недопустимо больших искажений сигнала.