Методы смещения (BJT)

В разделе этой главы, посвященном общему эмиттеру, мы видели анализ SPICE, в котором форма выходного сигнала напоминала форму полуволнового выпрямленного сигнала:воспроизводилась только половина формы входного сигнала, а другая половина была полностью обрезана. Поскольку в то время нашей целью было воспроизвести всю форму волны, это составляло проблему. Решением этой проблемы было добавление небольшого напряжения смещения на вход усилителя, чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего волнового цикла. Это добавление было названо напряжением смещения . .

Полуволновой выход не является проблемой для некоторых приложений. Некоторым приложениям может требоваться этот самый вид усиления, поскольку усилитель можно использовать в режимах, отличных от полноволнового воспроизведения, а для конкретных приложений требуются разные диапазоны воспроизведения, поэтому полезно описать степень, в которой усилитель воспроизводит форму входного сигнала, обозначив его по классу . Класс работы усилителя обозначается буквами алфавита:A, B, C и AB.

Для класса A полностью воспроизводится форма входного сигнала.

Класс усилителя

Класс А

Работа может быть достигнута только тогда, когда транзистор проводит все свое время в активном режиме, никогда не достигая ни отсечки, ни насыщения. Для этого обычно устанавливается достаточное напряжение смещения постоянного тока на уровне, необходимом для управления транзистором точно на полпути между отсечкой и насыщением. Таким образом, входной сигнал переменного тока будет идеально «центрирован» между верхним и нижним предельными уровнями сигнала усилителя.

Класс A:выход усилителя является точным воспроизведением входного сигнала.

Класс B

Работа - это то, что мы имели в первый раз, когда сигнал переменного тока подавался на усилитель с общим эмиттером без напряжения смещения постоянного тока. Половину времени транзистор находился в активном режиме, а другую половину - в режиме отсечки при слишком низком входном напряжении (или даже неправильной полярности!) Для прямого смещения перехода база-эмиттер.

Класс B:смещение таково, что воспроизводится половина (180 °) формы волны.

Сам по себе усилитель, работающий в режиме класса B, не очень полезен. В большинстве случаев серьезные искажения, вносимые в форму волны за счет устранения ее половины, были бы неприемлемыми. Однако работа класса B является полезным режимом смещения, если два усилителя работают как двухтактный пара, каждый усилитель обрабатывает только половину сигнала за раз:

Двухтактный усилитель класса B:каждый транзистор воспроизводит половину формы волны. Объединение половинок дает точное воспроизведение всей волны.

Транзистор Q1 «подталкивает» (перемещает выходное напряжение в положительном направлении относительно земли), в то время как транзистор Q2 «подтягивает» выходное напряжение (в отрицательном направлении, в сторону 0 вольт относительно земли). По отдельности каждый из этих транзисторов работает в режиме класса B, активном только в течение половины периода входного сигнала. Вместе, однако, оба функционируют как одна команда для создания выходного сигнала, идентичного по форме входному.

Несомненным преимуществом конструкции усилителя класса B (двухтактного) над конструкцией класса A является большая выходная мощность. Благодаря конструкции класса A транзистор рассеивает значительную энергию в виде тепла, поскольку он никогда не прекращает проводить ток. Во всех точках волнового цикла он находится в активном (проводящем) режиме, проводя значительный ток и значительно снижая напряжение. В течение всего цикла транзистор рассеивает значительную мощность. В конструкции класса B каждый транзистор половину времени проводит в режиме отсечки, где он рассеивает нулевую мощность (нулевой ток =нулевое рассеивание мощности). Это дает каждому транзистору время «отдохнуть» и остыть, в то время как другой транзистор несет нагрузку. Усилители класса A проще по конструкции, но, как правило, ограничиваются приложениями с низким энергопотреблением по простой причине рассеивания тепла транзисторами.

Класс AB

Другой класс работы усилителя, известный как класс AB находится где-то между классом A и классом B:транзистор проводит более 50%, но менее 100% времени, проводя ток.

Если смещение входного сигнала для усилителя немного отрицательно (противоположно полярности смещения для работы класса A), форма выходного сигнала будет более «обрезана», чем при смещении класса B, что приведет к операции, при которой транзистор тратит большую часть время в режиме отсечки:

Класс C

Класс C:проводимость менее половины цикла (<180 °).

Поначалу эта схема может показаться совершенно бессмысленной. В конце концов, чем может быть полезен усилитель, если он так сильно отсекает форму волны? Если вывод используется напрямую без какого-либо кондиционирования, его полезность действительно сомнительна. Однако при применении к выходу резервуарного контура (параллельная резонансная комбинация индуктора и конденсатора) случайный выброс на выходе, создаваемый усилителем, может привести в движение высокочастотные колебания, поддерживаемые резервуарным контуром. Это можно сравнить с машиной, в которой тяжелый маховик время от времени «пинают», чтобы он продолжал вращаться:

Усилитель класса C, управляющий резонансным контуром.

Называется класс C . Эта схема также имеет высокий КПД по мощности, поскольку транзисторы проводят большую часть времени в режиме отсечки, где они рассеивают нулевую мощность. Скорость затухания формы выходного сигнала (уменьшение амплитуды колебаний между «толчками» от усилителя) здесь преувеличена для удобства иллюстрации. Из-за настроенного контура резервуара на выходе эта схема может использоваться только для усиления сигналов определенной фиксированной амплитуды. Усилитель класса C может использоваться в радиопередатчике FM (частотная модуляция). Однако усилитель класса C не может напрямую усиливать AM (амплитудно-модулированный) сигнал из-за искажений.

Класс D

Другой вид работы усилителя, существенно отличающийся от класса A, B, AB или C, называется классом D . . Это не достигается путем применения определенной меры напряжения смещения, как в других классах работы, но требует радикального изменения конструкции самой схемы усилителя. В этой главе еще слишком рано исследовать, как именно устроен усилитель класса D, но не слишком рано обсуждать его основной принцип работы.

Усилитель класса D воспроизводит форму волны входного напряжения, генерируя быстро пульсирующие прямоугольная волна вывод . Рабочий цикл выходного сигнала (время включения по сравнению с общим временем цикла) зависит от мгновенной амплитуды входного сигнала. Графики на (Рисунок ниже демонстрируют этот принцип.

Усилитель класса D:входной сигнал и нефильтрованный выход.

Чем больше мгновенное напряжение входного сигнала, тем больше скважность выходного прямоугольного импульса. Если и может быть заявлена ​​какая-либо цель конструкции класса D, то она состоит в том, чтобы избежать работы транзистора в активном режиме. Поскольку выходной транзистор усилителя класса D никогда не находится в активном режиме, а только отсечен или насыщен, он будет рассеивать небольшую тепловую энергию. Это приводит к очень высокой энергоэффективности усилителя. Конечно, недостатком этой стратегии является подавляющее присутствие гармоник на выходе. К счастью, поскольку эти гармонические частоты обычно намного превышают частоту входного сигнала, они могут быть относительно легко отфильтрованы фильтром нижних частот, в результате чего выходной сигнал более близок к исходной форме волны входного сигнала. Технология класса D обычно используется там, где встречаются чрезвычайно высокие уровни мощности и относительно низкие частоты, например, в промышленных инверторах (устройствах, преобразующих постоянный ток в переменный ток для работы двигателей и других крупных устройств) и высокопроизводительных усилителях звука.

Термин, с которым вы, вероятно, столкнетесь при изучении электроники, называется спокойным , который является модификатором, обозначающим нулевое входное состояние схемы. Например, ток покоя - это величина тока в цепи с нулевым напряжением входного сигнала. Напряжение смещения в схеме транзистора заставляет транзистор работать с другим уровнем тока коллектора с нулевым напряжением входного сигнала, чем без этого напряжения смещения. Следовательно, величина смещения в цепи усилителя определяет его значения в состоянии покоя.

Ток покоя усилителей

В усилителе класса A ток покоя должен быть ровно половиной от его значения насыщения (на полпути между насыщением и отсечкой, отсечка по определению равна нулю). Усилители классов B и C имеют нулевые значения тока покоя, поскольку они должны быть отключены без подачи сигнала. Усилители класса AB имеют очень низкие значения тока покоя, чуть выше отсечки. Чтобы проиллюстрировать это графически, на характеристических кривых транзистора иногда наносят «линию нагрузки», чтобы проиллюстрировать диапазон его работы при подключении к сопротивлению нагрузки определенного значения, показанного на рисунке ниже.

Пример линии нагрузки, проведенной по характеристическим кривым транзистора от Vпитания до тока насыщения.

Линия нагрузки - это график напряжения коллектор-эмиттер в диапазоне коллекторных токов. В правом нижнем углу линии нагрузки напряжение на максимуме, а ток на нуле, что соответствует состоянию отключения. В верхнем левом углу строки напряжение равно нулю, а ток максимален, что соответствует состоянию насыщения. Точки, отмеченные в местах пересечения линией нагрузки различных кривых транзисторов, представляют реалистичные условия эксплуатации для указанных базовых токов.

Спокойные рабочие условия могут быть показаны на этом графике в виде единственной точки вдоль линии нагрузки. Для усилителя класса A точка покоя будет в середине линии нагрузки, как показано на рисунке ниже.

Точка покоя (точка) для класса А.

На этом рисунке точка покоя попадает на кривую, представляющую базовый ток 40 мкА. Если бы мы изменили сопротивление нагрузки в этой цепи на большее значение, это повлияло бы на наклон линии нагрузки, поскольку большее сопротивление нагрузки ограничило бы максимальный ток коллектора при насыщении, но не изменило бы напряжение коллектор-эмиттер при отрезать. Графически результат представляет собой линию нагрузки с другой верхней левой точкой и той же нижней правой точкой, что и в

Линия нагрузки в результате повышенного сопротивления нагрузки.

Обратите внимание на то, что новая линия нагрузки не пересекает кривую 75 мкА вдоль плоского участка, как раньше. Это очень важно знать, потому что негоризонтальный участок характеристической кривой представляет состояние насыщения. Если линия нагрузки пересекает кривую 75 мкА за пределами горизонтального диапазона кривой, это означает, что усилитель будет насыщен при этой величине базового тока. Увеличение значения резистора нагрузки - это то, что заставило линию нагрузки пересечь кривую 75 мкА в этой новой точке, и это указывает на то, что насыщение произойдет при меньшем значении базового тока, чем раньше.

Со старым нагрузочным резистором меньшего номинала в цепи базовый ток 75 мкА даст пропорциональный ток коллектора (базовый ток, умноженный на β). На первом графике линии нагрузки базовый ток 75 мкА дает ток коллектора почти вдвое больший, чем был получен при 40 мкА, как и предсказывает коэффициент β. Однако ток коллектора незначительно увеличивается между токами базы 75 мкА и 40 мкА, потому что транзистор начинает терять достаточное напряжение коллектор-эмиттер, чтобы продолжать регулировать ток коллектора.

Для поддержания линейной работы (без искажений) транзисторные усилители не должны работать в точках насыщения транзистора; то есть там, где линия нагрузки потенциально не попадет на горизонтальную часть кривой тока коллектора. Нам нужно было бы добавить еще несколько кривых к графику на рисунке ниже, прежде чем мы сможем сказать, насколько далеко мы можем «протолкнуть» этот транзистор с увеличенными базовыми токами до его насыщения.

Дополнительные кривые базового тока показывают детали насыщения.

На этом графике видно, что точка с наибольшим током на линии нагрузки, приходящаяся на прямой участок кривой, является точкой на кривой 50 мкА. Эту новую точку следует рассматривать как максимально допустимый уровень входного сигнала для работы класса А. Также для операции класса A смещение должно быть установлено так, чтобы точка покоя находилась на полпути между этой новой максимальной точкой и отсечкой, показанной на рисунке ниже.

Новая точка покоя позволяет избежать области насыщения.

Теперь, когда мы знаем немного больше о последствиях различных уровней напряжения смещения постоянного тока, пришло время изучить практические методы смещения. Источник постоянного напряжения (батарея), подключенный последовательно к входному сигналу переменного тока, смещает усилитель для любого желаемого класса работы. В реальной жизни подключать точно откалиброванный аккумулятор ко входу усилителя просто нецелесообразно. Даже если бы можно было настроить батарею так, чтобы она вырабатывала нужное количество напряжения для любого заданного требования смещения, эта батарея не могла бы оставаться на своем заводском напряжении бесконечно. Как только он начнет разряжаться и его выходное напряжение упадет, усилитель начнет переходить в режим работы класса B.

Возьмем эту схему, показанную в разделе с общим эмиттером для моделирования SPICE, например, на рисунке ниже.

Непрактичное смещение базовой батареи.

Эту 2,3-вольтовую батарею «Vbias» было бы непрактично включать в настоящую схему усилителя. Гораздо более практичным методом получения напряжения смещения для этого усилителя было бы получение необходимых 2,3 В с помощью цепи делителя напряжения, подключенной к 15-вольтовой батарее. В конце концов, 15-вольтовая батарея уже есть по необходимости, а схемы делителя напряжения легко спроектировать и построить. Давайте посмотрим, как это может выглядеть на рисунке ниже.

Смещение делителя напряжения.

Если мы выберем пару номиналов резисторов для R2 и R3, которые будут давать 2,3 В на R3 из 15 вольт (например, 8466 Ом для R2 и 1533 Ом для R3), у нас должно быть желаемое значение 2,3 В между базой. и эмиттер для смещения без входного сигнала. Единственная проблема заключается в том, что эта конфигурация схемы размещает источник входного сигнала переменного тока непосредственно параллельно с R3 нашего делителя напряжения. Это неприемлемо, поскольку источник переменного тока будет иметь тенденцию превосходить любое напряжение постоянного тока, падающее на R3. Параллельные компоненты должны имеют одинаковое напряжение, поэтому, если источник переменного напряжения напрямую подключен к одному резистору делителя постоянного напряжения, источник переменного тока «выиграет», и к сигналу не будет добавляться напряжение смещения постоянного тока.

Один из способов заставить эту схему работать, хотя это может быть неочевидно почему он будет работать, стоит поставить конденсатор связи между источником переменного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке ниже.

Конденсатор связи предотвращает попадание смещения делителя напряжения в генератор сигналов.

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником переменного тока и делителем напряжения постоянного тока, пропуская почти все напряжение сигнала переменного тока на транзистор, блокируя при этом все напряжение постоянного тока от короткого замыкания через источник сигнала переменного тока. В этом будет гораздо больше смысла, если вы поймете теорему суперпозиции и то, как она работает. В соответствии с суперпозицией любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, чтобы найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R2-R3 от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.

При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте сигнала почти все напряжение переменного тока появляется на R3:

Из-за очень низкого импеданса конденсатора связи на частоте сигнала он ведет себя как кусок провода, поэтому его можно не использовать на этом этапе анализа суперпозиции.

При действии только источника постоянного тока конденсатор выглядит как разомкнутая цепь, и поэтому ни он, ни закороченный источник сигнала переменного тока не будут иметь никакого влияния на работу делителя напряжения R2-R3 на рисунке ниже.

Конденсатор выглядит как разомкнутая цепь, что касается анализа постоянного тока

Комбинируя эти два отдельных анализа на рисунке ниже, мы получаем суперпозицию (почти) 1,5 В переменного тока и 2,3 В постоянного тока, готовую к подключению к базе транзистора.

Комбинированная цепь переменного и постоянного тока.

Хватит разговоров - пора провести SPICE-симуляцию всей схемы усилителя, показанной на рисунке ниже. Мы будем использовать емкость конденсатора 100 мкФ для получения произвольно низкого (0,796 Ом) импеданса на частоте 2000 Гц:

SPICE-моделирование смещения делителя напряжения.

 смещение делителя напряжения винпуть 1 0 грех (0 1,5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k г2 4 5 8466 г3 5 0 1533 q1 3 2 0 mod1 рспкр 3 4 8 v1 4 0 постоянного тока 15 .model mod1 npn .tran 0,02 м 0,78 м .plot tran v (1,0) i (v1) .конец 

Обратите внимание на существенное искажение формы выходного сигнала на рисунке выше. Синусоидальная волна ограничивается в течение большей части отрицательного полупериода входного сигнала. Это говорит нам, что транзистор входит в режим отсечки, хотя этого не должно быть (я предполагаю, что цель работы класса A, как и раньше). Почему это? Этот новый метод смещения должен давать нам точно такое же напряжение смещения постоянного тока, как и раньше, верно?

Когда конденсатор и цепь резисторов R2-R3 не нагружены, она будет обеспечивать смещение постоянного тока равным 2,3 В. Однако как только мы подключим эту сеть к транзистору, она больше не будет разгружена. Ток, протекающий через базу транзистора, нагружает делитель напряжения, тем самым уменьшая напряжение смещения постоянного тока, доступное для транзистора. Используя модель транзистора с диодным источником тока на рисунке ниже для иллюстрации, проблема смещения становится очевидной.

Модель диодного транзистора показывает нагрузку делителя напряжения.

Выход делителя напряжения зависит не только от размера составляющих его резисторов, но и от того, сколько тока отводится от него через нагрузку. PN-переход база-эмиттер транзистора представляет собой нагрузку, которая снижает напряжение постоянного тока, падающее на R3, из-за того, что как ток смещения, так и IR3 проходят через резистор R2, нарушая коэффициент делителя, ранее установленный значениями сопротивления R2 и R3. Чтобы получить напряжение смещения постоянного тока 2,3 В, значения R2 и / или R3 должны быть скорректированы, чтобы компенсировать влияние нагрузки по току базы. Чтобы увеличить когда напряжение постоянного тока упало на R3, уменьшите значение R2, увеличьте значение R3 или и то, и другое.

Нет искажений на выходе после регулировки R2 и R3.

 смещение делителя напряжения винпуть 1 0 грех (0 1,5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 6k <--- R2 уменьшилось до 6 k r3 5 0 4k <--- R3 увеличено до 4 k q1 3 2 0 mod1 рспкр 3 4 8 v1 4 0 постоянного тока 15 .model mod1 npn .tran 0,02 м 0,78 м .plot tran v (1,0) i (v1) .конец 

Новые значения резисторов 6 кОм и 4 кОм (R2 и R3 соответственно) на рисунке выше приводят к воспроизведению формы волны класса A именно так, как мы хотели.

ОБЗОР:

• Класс А Операция заключается в том, что усилитель находится в активном режиме на протяжении всего цикла сигнала, таким образом точно воспроизводя всю форму сигнала.
• Класс B работа усилителя смещена таким образом, что воспроизводится только половина формы входного сигнала:либо положительная, либо отрицательная половина. Половину времени транзистор находится в активном режиме и половину времени отсечки. Дополнительные пары транзисторов, работающие в режиме класса B, часто используются для обеспечения усиления высокой мощности в системах аудиосигнала, причем каждый транзистор пары обрабатывает отдельную половину цикла формы волны. Работа класса B обеспечивает лучшую энергоэффективность, чем усилитель класса A с аналогичной выходной мощностью.
• Класс AB работа усилителя смещена в точке где-то между классом A и классом B.
• Класс C представляет собой усилитель, смещенный для усиления только небольшой части сигнала. Большую часть времени транзистор находится в режиме отсечки. Чтобы на выходе была полная форма волны, резонансный контур резервуара часто используется в качестве «маховика» для поддержания колебаний в течение нескольких циклов после каждого «толчка» от усилителя. Поскольку транзистор большую часть времени не проводит ток, энергоэффективность усилителя класса C высока.

• Класс D Работа требует усовершенствованной схемы и работает по принципу представления мгновенной амплитуды входного сигнала рабочим циклом высокочастотной прямоугольной волны. Выходные транзисторы никогда не работают в активном режиме, только с отсечкой и насыщением. Небольшая рассеиваемая тепловая энергия обеспечивает высокую энергоэффективность.
• DC bias voltage on the input signal, necessary for certain classes of operation (especially class A and class C), may be obtained through the use of a voltage divider and coupling capacitor rather than a battery connected in series with the AC signal source.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet
• Class A BJT Amplifiers Worksheet
• Class B BJT Amplifiers Worksheet
• Bipolar Junction Transistor (BJT) theory Worksheet