Режимы работы транзистора

Рассмотрим возможные режимы работы транзистора при усилении симметричных сигналов. К симметричным сигналам относят такие, для которых равновероятны одинаковые отклонения напряжения или тока сигнала в обе стороны от его исходного значения. К таким сигналам, помимо гармонических колебаний, относятся сигналы звуковых передач, телевизионных изображений и различных импульсных устройств с двухсторонними импульсами.

Наиболее естественным режимом для усиления симметричных сигналов является режим А, сущность которого состоит в том, что исходная рабочая точка выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики. Целесообразность такого выбора исходной рабочей точки при симметричных сигналах очевидна, т.к. при этом ограничения линейного участка характеристики по максимуму и по минимуму наступают одновременно при наибольшей амплитуде напряжения сигнала.

В транзисторном каскаде ограничением по минимуму является допустимое наибольшее значение выходного тока при максимальной температуре или наименьшее значение напряжения, соответствующее переходу к области насыщения. Ограничением по минимуму является начало искривления (загиба) сквозной динамической характеристики в области малых токов.

Работа транзистора в режиме, А для схемы ОЭ поясняется рис. 5.

Здесь исходная смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_бэ0 выбрана таким образом, что исходный коллекторный ток I_к0 находится на середине используемого линейного участка характеристики. При синусоидальном изменении ЭДС источника сигналов с амплитудой Е_бэm коллекторный ток изменяется также синусоидально с амплитудой I_кm.

Режим, А является наиболее универсальным режимом работы. Он применяется при симметричных сигналах в каскадах предварительного усиления, а также в предоконечных и оконечных каскадах при небольших мощностях усилителя (обычно до 0,5…1 Вт). Основным преимуществом режима, А является малая величина нелинейных искажений, обеспечиваемая наиболее простым способом, а именно использованием только линейного участка характеристики. Недостатком режима, А является малая величина КПД каскада, объясняемая большой постоянной составляющей выходного тока, которая даже при отсутствии сигнала на входе (в паузе) равна I_к0, что обуславливает значительную величину мощности, рассеиваемой в транзисторе (P_к). КПД каскада в общем виде (для любого режима работы) определяется как.

где P_~ = P₂ — полезная мощность, выделяемая в нагрузке; P₀ — мощность, потребляемая от источника питания. Мощность, рассеиваемая в транзисторе.

P_к = P₀ — P_~ .(4).

Из выражения (4) ясно, что наибольшая мощность выделяется на транзисторе, когда P_~ = 0, т. е. при отсутствии сигнала на входе, т.к.

P₀ = E_кI_к ср ,(5).

но в режиме А, как это видно из рис. 5, I_к ср = I_к0, а I_к0 в режиме А, как указывалось ранее, имеет значительную величину.

Для повышения КПД каскада применяется режим В, при котором исходная рабочая точка выбирается в начале сквозной динамической характеристики, т. е. в точке i_к = I_кн, а смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_бэ0 0 (рис. 6). При этом, если пренебречь ничтожно малым током I_кн, можно считать, что коллекторный ток проходит через транзистор только в течение одного полупериода, и поэтому угол отсечки в режиме _В = /2 (рис. 6).

Поэтому неискаженное воспроизведение симметричного сигнала при апериодическом характере нагрузки возможно только при использовании двухтактной схемы оконечного каскада.

В режиме В коэффициент полезного действия () увеличивается, во-первых, за счет лучшего, по сравнению с режимом А, использования транзистора по току (I_к maxВ > I_кmA), благодаря чему полезная мощность.

(6).

оказывается больше, чем P_~ в режиме А, а, во-вторых, в паузе, т. е. при отсутствии сигнала на входе, от источника питания мощность не потребляется практически вообще в соответствии с (5), т.к. I_к0 = 0, а средний ток в режиме В можно считать приблизительно равным I_к max/. Мощность, потребляемая от источника питания P₀ при наличии сигнала на входе, определяется средним током и оказывается примерно равной E_кI_к ср.

Таким образом, в отношении энергетических показателей режим В имеет несомненные преимущества по сравнению с режимом А. Недостатком режима В является большее искажение сигнала. Кроме того режиму В присущи специфические искажения типа «центральной отсечки», обусловленные тем, что транзисторы в плечах двухтактного оконечного каскада могут иметь не идентичные параметры (например, коэффициент усиления по току или начальный коллекторный ток), что нарушает строгую очередность работы транзисторов и приводит к некоторому запаздыванию коллекторного тока в плечах двухтактной схемы. Сказанное поясняется графиком на рис. 7.

Для того, чтобы сохранить энергетические преимущества режима В и избежать искажений типа «центральной отсечки», используют режим АВ, при котором увеличивают ЭДС смещения E_бэ0 и рабочую точку (р.т.) выводят на некий начальный участок сквозной характеристики, пропустив через транзистор в исходном режиме небольшой ток покоя I_к0. В этом случае выходной ток проходит через транзистор более чем в течение половины периода, т. е. угол отсечки _АВ > /2 (рис. 8).

КПД в режиме АВ несколько меньше, чем в режиме В в силу того, что при отсутствии сигнала на входе (в паузе) от источника питания потребляется мощность P₀ = I_к0 Е_к. Мощность, потребляемая от источника питания при наличии сигнала на входе так же, как и в режиме В, определяется средним током, выражение (5).

Рассмотренные режимы работы транзистора используются при непосредственном (прямом) усилении, т. е. при усилении сигналов без их преобразования.