Режимы работы активных элементов усилительных каскадов
Режимы работы транзистора.
В общем случае для транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.
Активный режим – соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именнов активном режиме транзистор наилучшим образом проявляетсвои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.
Инверсный режим– полностью противоположен активномурежиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным – коллекторный. В таком режиметранзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзисторав инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чмврежиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.
Режим насыщения (режим двойной инжекции)– оба переходатранзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.
Режим отсечки– к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа.
Угол отсечки – половиной той части периода, в течение которого транзистор открыт.
Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.
Классы усиления.
Чтобы различать динамику изменений режимов работы транзистора (а это имеет значение при расчете их энергопотребления и тепловыделения) вводится понятие класса усиления. Различают пять основных классов усиления, которые обозначаются прописными латинскими буквами: А, В, АВ, C, D.
Класс усиления А. При работе в данном классе усиления транзистор все время находится в активном режиме (рис. 4.1). Режим характеризуется тем, что ИРТ, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и в середине нагрузочной характеристики, так, что амплитудные значения сигналов не выходят за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора пропорциональны изменениям тока базы.
При работе в классе А:
· угол отсечки θ = 180°,
· КПД невысокий: η = (25…30)%,
· коэффициент гармоник: Kг = 1% (малые нелинейные искажения).
УК такого класса применяются в основном в качестве маломощных предварительных каскадов, но иногда и в качестве оконечных.
Рис. 4.1
Класс усиления В. Этот класс характеризуется тем, что ИРТ находится в начале входной характеристики (рис. 4.2). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки.
Рис. 4.2
При работе в классе B:
· угол отсечки θ = 90°,
· КПД значительно выше чем в классе А: η = (65…70)%,
· коэффициент гармоник: Kг ≤ 10% (большой уровень нелинейных искажений).
Существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, что вызвано повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки. Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях.
Класс усиления АВ. Данный класс усиления является промежуточным между классами А и В. В этом случае транзистор также переключается между режимом отсечки и активным режимом, но преобладающим является все-таки именно активный режим (рис. 4.3).
Рис. 4.3.
Незначительное понижение КПД усилительного каскада в классе АВ компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений при усилении одного из полупериодов входного сигнала.
При работе в классе АB:
· угол отсечки θ > 90°,
· КПД средний между классами А и В: η = (50…55)%,
· коэффициент гармоник: Kг ≤ 3% (невысокий уровень нелинейных искажений).
Схемы усилителей мощности строятся так, что участок со значительными нелинейностями, когда транзистор переходит из режима отсечки в активный режим и наоборот, просто не оказывает влияния на выходной сигнал.
Класс усиления С. В классе усиления С транзистор большую часть периода изменения напряжения входного сигнала находится в режиме отсечки, а в активном режиме – меньшую часть (рис. 4.4).
Рис. 4.4
При работе в классе С:
· угол отсечки θ < 90°,
· КПД высокий: η = (75…85)%,
· коэффициент гармоник: Kг ≥ 10% (очень высокий уровень нелинейных искажений).
Этот класс часто используется в выходных каскадах мощных резонансных усилителей (например, в радиопередатчиках) с повышенным КПД.
Класс усиления D. Предназначен для обозначения ключевого режима работы, при котором биполярный транзистор может находиться только в двух устойчивых состояниях: или полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (режим отсечки).
Литература:
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М: Додека-XXI, 2005.
2. Павлов В.Н., Ногин И.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М: Горячая Линия Телеком, 2001.
Разработал: доцент кафедры РЛ1 Чепурнов И.А.