Методы смещения BJT: классы А, В, АВ, С и D усилителей

В разделе об усилителе с общим эмиттером SPICE-моделирование выявило полуволновый выпрямленный выход: транзистор не оставался в активном режиме в течение половины входного цикла. Для сохранения полной формы волны было введено небольшое смещающее напряжение, удерживающее транзистор в активном режиме на протяжении всего цикла. Это смещение необходимо для многих классов усилителей.

В некоторых сценариях полуволновый выход является намеренным. Определенные приложения требуют конкретного класса работы — обозначаемого буквами A, B, C или AB — где усилитель воспроизводит только часть входной волны. Ниже приведен краткий обзор каждого класса.

Обзор классов усилителей

Класс А

В классе А транзистор проводит на протяжении всего входного цикла, никогда не достигая режимов запира или насыщения. Постоянное смещение устанавливает транзистор ровно посередине между запиранием и насыщением, центрируя AC-сигнал между верхним и нижним пределами усилителя. Это обеспечивает верную воспроизводимость входной волны.

Класс B

Усилители класса B первыми использовали конфигурацию с общим эмиттером без постоянного смещения. Транзистор проводит только половину цикла, давая полуволновый выход. Хотя одиночная ступень класса B редко полезна, толкательно-тянутая пара — два дополнительных транзистора — обрабатывает положительные и отрицательные полуволны раздельно. В совокупности они восстанавливают полную волну, предлагая более высокую выходную мощность и меньшую тепловыделение по сравнению с классом А.

Класс AB

Класс AB находится между классами А и B. Транзистор проводит более 50%, но менее 100% цикла, балансируя линейность и эффективность. Смещая базу немного отрицательно относительно класса А, транзистор проводит меньше времени в запире, но все же избегает сильных искажений чистого класса B.

Класс C

Работа класса C проводит менее половины цикла (<180°). Хотя выход сильно обрезан, связывание усилителя с резонансной контурной схемой (параллельный LC) позволяет «толчкам» усилителя поддерживать высокочастотные колебания. Эта конфигурация идеальна для фиксированной частоты RF-передатчиков, таких как FM-радио, где высокая энергетическая эффективность имеет первостепенное значение.

Класс D

Усилители класса D принципиально отличаются: выходной транзистор управляется только в режимах запира или насыщения, генерируя высокочастотную прямоугольную волну, скважность которой соответствует амплитуде входного сигнала. После низкочастотной фильтрации выход тесно приближается к исходной волне. Эта топология минимизирует тепловыделение и достигает очень высокой эффективности, что делает её распространенной в высокомощных аудио и промышленных инверторах.

Покойный ток и нагрузочные линии

Покойный ток — это постоянный ток, текущий при нулевом входе. В классе А он равен половине тока насыщения; классы B и C имеют нулевой покойный ток; класс AB — чуть выше запира. Нагрузочная линия — график коллекторно-эмиттерного напряжения против коллекторного тока — иллюстрирует рабочую точку транзистора для данного нагрузочного сопротивления. Для класса А покойная точка лежит в середине нагрузочной линии, обеспечивая линейную работу и избегая насыщения.

Практическое смещение с делителями напряжения

Использование отдельного батарейного элемента для обеспечения смещения непрактично, так как напряжение батареи дрейфует со временем. Вместо этого делитель напряжения через основное питание может генерировать необходимое смещение. Например, с питанием 15 В выбор R₂ = 8,466 кОм и R₃ = 1,533 кОм дает 2,3 В на R₃. Однако прямое подключение AC-входа через R₃ закоротчит смещающее напряжение. Разделительный конденсатор между источником сигнала и делителем блокирует DC, пропуская AC, обеспечивая правильное смещение.

Анализ суперпозиции показывает, что AC-компонента проходит через конденсатор к R₃, в то время как DC-делитель остается изолированным при смещении. Результирующее смещение составляет примерно 2,3 В DC плюс 1,5 В AC-сигнал, как и требуется.

SPICE-моделирование усилителя со смещением делителем:

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 8466
r3 5 0 1533
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end

Первоначальное моделирование показывает искажения из-за нагрузки делителя напряжения базовым током транзистора. Корректировка R₂ и R₃ (например, R₂ = 6 кОм, R₃ = 4 кОм) восстанавливает 2,3 В смещение и устраняет искажения.

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 6k <--- R2 уменьшен до 6 к
r3 5 0 4k <--- R3 увеличен до 4 к
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end

Ключевые выводы

• Класс А — полноциклическая проводимость; точная воспроизведение волны; высокое тепловыделение.
• Класс B — полуциклическая проводимость; эффективен в толкательно-тянутой паре; подходит для высокомощного аудио.
• Класс AB — гибрид; баланс линейности и эффективности.
• Класс C — ультра-эффективен для фиксированной частоты RF; требует резонансной контурной схемы.
• Класс D — высокочастотный ШИМ; минимальное рассеивание в активном режиме; отличная эффективность для аудио и промышленных инверторов.
• Смещение через делители напряжения с разделительными конденсаторами предпочтительнее внешних батарей для стабильности.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по схемам смещения биполярных транзисторов
• Рабочий лист по усилителям класса А на биполярных транзисторах
• Рабочий лист по усилителям класса B на биполярных транзисторах
• Рабочий лист по теории биполярных транзисторов (BJT)