Усилители электрических сигналов чаще всего выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на электронных лампах, туннельных диодах и других приборах, имеющих на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Независимо от типов активных электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи, в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи.
Этот режим работы называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Он характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепях начинает изменяться в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. Значение выходного сигнала обычно значительно больше входного сигнала. Когда рассматривают приращения токов или напряжений, вызванные входным сигналом, то говорят, что это режим работы по переменному току или режим малого сигнала.
Статический режим определяют в зависимости от значения входного сигнала, который необходимо усиливать.
В зависимости от постоянного тока и падения напряжения на активном приборе усилительного каскада, а также от значения входного усиливаемого сигнала принято различать следующие режимы работы: А; В; С; D; промежуточные режимы, например АВ.
Режим А – это режим работы активного прибора, при котором ток в выходной цепи i протекает в течение всего периода входного сигнала.
Положение рабочей точки выбирают так, что амплитуда переменной составляющей выходного тока Im, появившегося вследствие воздействия входного сигнала (рис. 3.1, а), в режиме А не может превышать ток покоя I0 (рис. 3.1, б). Ток через активный элемент протекает в течение всего периода изменения входного сигнала.
Преимуществом режима А является то, что при нем возникают малые нелинейные искажения. Однако КПД каскада η = Р~ /Р0 (Р~ – выходная мощность; Р0 – полная мощность, потребляемая каскадом) низкий – меньше 0,5. Режим А используют в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.
Режим В – это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение половины входного сигнала. Этот промежуток времени принято характеризовать углом отсечки q. Угол отсечки выражается в угловых единицах (гра
дусах или радианах). Численно он равен половине временного интервала, в течение которого через активный прибор протекает электрический ток. При идеальном режиме В (рис. 3.1, в) q = π/2. Ток через активный элемент протекает в течение промежутка времени 2q. Из-за нелинейностей начальных участков характеристик активных приборов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, которая была бы, если бы активный прибор был линейным. Это вызывает значительные нелинейные искажения выходного сигнала.
Режим В обычно используют в двухтактных выходных каскадах, имеющих высокий КПД, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима выбирают промежуточный режим АВ.
В режиме АВ угол отсечки q несколько больше π/2, и при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает ток, равный 5 – 15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Такой выбор статического режима позволяет уменьшить нелинейные искажения при использовании двухтактных выходных каскадов. Режим С – это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т. е. при q < π/2 (рис. 3.1, г). Ток покоя в режиме С равен нулю. Этот режим используют в мощных
резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.
Режим D (или ключевой) – это режим, при котором активный прибор находится только в двух состояниях: или полностью закрыт и его электрическое сопротивление велико, или полностью открыт и имеет малое электрическое сопротивление.
Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных типа усилительных каскадов: с общим эмиттером (или с общим истоком); с общей базой (или с общим затвором); с общим коллектором (или с общим стоком).
Различные многокаскадные усилители и каскадные схемы являются комбинациями перечисленных усилительных каскадов.
Анализ работы усилительных каскадов на транзисторах и электронных лампах в общем виде одинаков.
Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на активном приборе (обеспечить требуемый режим).
Ток и падение напряжения на активном приборе зависят от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик. Для их определения все усилительные каскады на одном активном приборе приводятся к эквивалентной схеме (рис. 3.2, а), состоящей из последовательно соединенных резисторов R1, R2 и активного нелинейного прибора, токи и напряжения которого зависят от управляющего сигнала. Резистор R1 представляет собой эквивалентное активное сопротивление, через которое один из электродов электронного прибора (коллектор, сток, анод) подключен к источнику питания. Резистор R2 – эквивалентное сопротивление, через которое второй электрод электронного прибора подключен к другому полюсу источника питания.
Определить ток и падение напряжения нелинейной цепи можно аналитическим (используется очень редко) и графоаналитическим методами. Последний широко распространен в электронике в связи с тем, что позволяет проводить расчеты с помощью экспериментально определенных характеристик электронного прибора.
При использовании графоаналитического метода строится линия нагрузки по постоянному току. Она представляет собой вольт-амперную характеристику той части обобщенной цепи, в состав которой не входит нелинейный, управляемый внешним сигналом активный прибор. В рассматриваемом случае это вольт-амперная характеристика резисторов R1, R2. В общем случае последовательно с активным прибором могут быть включены нелинейные элементы и вместо прямой будет «кривая» нагрузки по постоянному току, причем система координат, в которой строится эта вольт-амперная характеристика, отличается от общепринятой. За напряжение, приложенное к ней, берется значение раз
ности напряжений питания и падения напряжения на активном приборе. Поэтому точкой, из которой строят вольт-амперную характеристику нагрузочной части, является точка с координатами (ЕПИТ, 0). Это основано на том, что ток в последовательной цепи во всех компонентах одинаков, а сумма падений напряжений на них равна напряжению источника питания:
I0(R1 + R2) + U0 = EПИТ. (3.1)
При разных значениях управляющего сигнала токи и напряжения активного прибора будут изменяться, так же, как ток I0 и напряжение U0. Задача анализа усилительных каскадов в статическом режиме сводится к нахождению геометрического места точек, где справедливо уравнение (3.1). Оно определяется как совокупность точек пересечения кривых семейства вольт-амперных характеристик нелинейного активного прибора и вольт-амперной характеристики остальной (нагрузочной) части обобщенной цепи.
В рассматриваемом случае вольт-амперная характеристика резисторов R1 и R2 – прямая линия. Она может быть построена по двум точкам, которые легко найти из рассмотрения крайних случаев, когда нелинейный прибор имеет бесконечно большое и бесконечно малое сопротивления. При его бесконечно большом сопротивлении I ® 0, а U0 = ЕПИТ.
При бесконечно малом внутреннем сопротивлении U0 ® 0, а I0 = <
i>EПИТ / (R1 + R2).
Все возможные значения токов и напряжений на нелинейном приборе лежат в точках пересечения его вольт-амперной характеристики с линией нагрузки по постоянному току. Нетрудно убедиться, что условие (3.1) выполняется во всех точках пересечения семейства вольт-амперных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Задавая различный управляющий сигнал на входе электронного прибора, меняют положение его рабочей точки и соответственно ток покоя и падение напряжения на компонентах цепи.
Построим линию нагрузки для усилительного каскада (рис. 3.2, б), используя семейство коллекторных вольтамперных характеристик транзистора для схемы с ОЭ (рис. 3.2, в). Рассмотрим два крайних случая. При сопротивлении транзистора, стремящемся к бесконечности, IК ® 0 и напряжение питания ЕК падает на транзисторе.
На графике получаем первую точку нагрузочной прямой, расположенную на оси UКЭ и соответствующую UКЭ = ЕК.
При нулевом сопротивлении транзистора UКЭ = 0. Напряжение питания падает на резисторах RК и RЭ. Ток в цепи IK = EK / (RK + RЭ). Это дает вторую точку нагрузочной прямой с координатами UКЭ = 0, IК.
Соединив полученные точки прямой линией, получим линию нагрузки по постоянному току. Все возможные токи и падения напряжения в данной цепи лежат в точках пересечения линии нагрузки по постоянному току с кривыми семейства вольт-амперных характеристик транзистора. Если, например, в цепи базы задан ток IБ3, то падение напряжения на транзисторе UKЭ 0 и его ток IК 0 будут определяться положением точки О. Если входной ток изменим до IБ2, то ток и падение напряжения на транзисторе будут определяться положением точки b и т. п.
Таким образом, положение рабочей точки нелинейного активного прибора однозначно определяется сигналом, поданным на его управляющий вход.
Усиление сигнала происходит за счет того, что изменения токов и напряжений в коллекторной цепи больше входного сигнала. Действительно, если входной сигнал изменит ток базы транзистора от начального значения IБ3 до IБ1, то ток коллектора изменится от IК 0 до IК а , а падение напряжения – от UKЭ 0 до UКЭ а. Эти изменения значительно больше сигнала, вызвавшего их.
Методика построения линии нагрузки не зависит от типа нелинейного прибора.
Рабочую точку U0, I0 в общем случае выбирают исходя из режима, в котором должен работать электронный прибор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения Um и связанного с ним тока Im.
Если усилительный каскад должен работать в режиме А, то при малом входном сигнале (несколько мВ) рабочую точку активного элемента выбирают исходя из соображений экономичности, а также получения от каскада требуемого усиления. Последнее обусловлено тем, что параметры электронных приборов, определяющие их усилительные свойства, зависят от положения рабочей точки.
Для биполярных и полевых транзисторов значения тока в точке покоя от 100 мкА до нескольких мА. В интегральных схемах транзисторы часто работают в так называемом микрорежиме, при котором их ток в точке покоя составляет несколько мкА.
При работе с большими сигналами рабочую точку выбирают так, чтобы обеспечивалось получение требуемого усиления сигнала при допустимых нелинейных искажениях и по возможности высоком КПД.
При этом для обеспечения работы активного элемента в режиме А как при большом, так и при малом входном сигнале необходимо, чтобы удовлетворялись неравенства U0 > Um и I0 > Im.
Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности, рассеиваемые на электронных приборах, не превышали предельно допустимых значений
В процессе выбора рабочей точки могут быть получены разные результаты. При этом нахождение параметров, близких к оптимальным, как правило, осуществляют с помощью метода проб и ошибок, в результате применения которого становится ясным, какие конкретные значения сопротивлений, напряжений и токов должен иметь каскад для удовлетворения требований, предъявляемых к нему.
Для примера рассмотрим выбор рабочей точки в каскадах с общим эмиттером и общим истоком (рис. 3.3, а, б).
При выборе рабочей точки на выходных характеристиках активного элемента сначала строят линию нагрузки по постоянному току. Для рассматриваемых каскадов при сопротивлениях транзисторов, равных бесконечности: а) IK = 0; UКЭ = EK; б) IС = 0; UСИ = —EС.
При нулевом сопротивлении транзисторов соответствующие токи и напряжения: а) UКЭ= 0; IK = EK / RK; б) UСИ = 0; IC = EС / (RC + RИ). Через полученные пары точек на выходных характеристиках проводят линии нагрузки.
Если значения тока оказываются большими и для построения линий нагрузки следует удлинить ось I, то можно применить другой метод. Учитывая, что тангенс угла наклона линии нагрузки (рис. 3.3, в, г) равен
и принимая во внимание масштабы токов и напряжений, из точки IK = 0; UКЭ = EK проводят линию под углом, тангенс которого равен (-l / RК), и получают ту же самую линию нагрузки.
На нагрузочной прямой для постоянного тока выбирают положение рабочей точки О. Если каскад предназначен для усиления малых сигналов, то рабочую точку берут на том участке, где изменения сигнала на управляющих электродах вызовут наибольшие изменения выходного тока. При этом стремятся обеспечить такой режим, чтобы мощность, потребляемая каскадом, была минимальной.
Если каскад работает при больших сигналах, то рабочую точку выбирают ориентировочно на середине прямолинейного участка так, чтобы выполнялись неравенства (3.2).
Через выбранную рабочую точку О проводят линию нагрузки по переменному току, которая в общем случае отличается от линии нагрузки по постоянному току и только при RH ® ¥ совпадает с ней.
Это обусловлено тем, что сопротивление, стоящее в выходной цепи транзистора RK, RC, шунтируется сопротивлением нагрузки RH, подключенным через конденсатор С2. Сопротивление конденсатора зависит от частоты XC = l / (jwC), поэтому результирующее сопротивление имеет разные значения для переменного и постоянного токов. При построении линии нагрузки по переменному току сопротивление конденсатора С2 считают равным нулю и через точку О проводят прямые линии, тангенс наклона которых равен
Если рабочая точка выбрана правильно, то при изменении выходного напряжения в пределах ± Um транзисторы находятся в активном режиме и рассеиваемая на них мощность не превышает допустимую. Это связано с тем, что динамическая нагрузочная прямая и линия допустимой мощности рассеяния не пересекаются. Напряжения питания Е меньше UKЭmax и UСИmax. Следовательно, параметры рабочей точки выбраны пра
вильно, и каскад будет обеспечивать амплитуду выходного напряжения Um на сопротивлении нагрузки RH.
При работе каскада в режиме В транзисторы и их рабочую точку выбирают из условия выполнения неравенств
ttp://electrono.ru/wp-content/image_post/elektrcepi/pic31_1.gif>
После выбора положения рабочей точки находят параметры цепей, обеспечивающих требуемый статический режим работы.
Для получения необходимых напряжений и токов покоя между соответствующими электродами транзисторов задают определенные напряжения или токи, которые носят название напряжений или токов смещения. Для биполярных транзисторов задают электрические токи в цепях базы или эмиттера, для полевых – напряжение между затвором и истоком. Расчет параметров цепей смещения (цепей, обеспечивающих режим по постоянному току) можно проводить аналитически или графоаналитически в зависимости от типа электронного прибора и схемы усилительного каскада.
В большинстве практически встречающихся случаев цепи смещения усилительных каскадов на биполярных транзисторах можно рассчитывать с помощью схемы рис. 3.4, а. Различные варианты цепей смещения, применяемых на практике, приводятся к этой схеме с помощью эквивалентных преобразований. Покажем это на примере каскада (рис. 3.4, б), в котором смещение обеспечивается источником напряжения Еб и резисторами R1, R2.
Эквивалентная схема такого каскада показана на рис. 3.4, в. Для статического режима ее получают заменой активных приборов в принципиальной схеме на их эквивалентные схемы, причем в последних учитываются только те элементы и генераторы, которые необходимы для обеспечения этого режима. Из рис. 3.4, в видно, что ток базы IБ0 состоит из двух противоположно направленных составляющих 
и 
, которые вызваны напряжением Еб и ответвлением в цепь базы части коллекторного тока IK.
Приведем эквивалентную схему каскада к виду рис. 3.4, г, соответствующему схеме рис. 3.4, а. Для этого источник напряжения Е и делитель напряжения на резисторах Rl, R2 с помощью теоремы об эквивалентном генераторе заменим источником 
с внутренним сопротивлением Rб:
Такие эквивалентные преобразования не меняют токов и напряжений в цепях и существенно облегчают расчеты. Ток базы IБ0 найдем также с помощью теоремы об эквивалентном генераторе. Для этого из эквивалентной схемы (рис. 3.4, в) найдем напряжение U на концах разорванного провода, соединяющего Rб и 
(рис. 3.4, г), и внутреннее сопротивление R4 источника напряжения U:
R4 = RЭ + Rб.
Тогда ток в цепи базы
или
Коэффициент gБ показывает, какая часть тока IК ответвляется в цепь базы.
Преобразуем это уравнение, учитывая, что
После преобразований получим
или
Таким образом, зная параметры транзистора h21Э, IКЭО, UБЭ и некоторые параметры цепи каскада, можно определить недостающие параметры цепи, обеспечивающие требуемый ток покоя. Так как в выражение для коллекторного тока входят несколько независимых параметров, необходимый ток покоя IКО может быть получен при различных значениях параметров элементов цепи. Часть параметров обычно задается при проектировании. При этом учитываются требования, предъявляемые к усилительному каскаду, например к входному сопротивлению, температурной стабильности тока пок
