Работа транзистора при больших уровнях сигнала

     Входная динамическая характеристика

     Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения при наличии нагрузки в выгодной цепи каскада. Она строится на основе выходных статических характеристик транзистора и выходной динамической характеристики каскада. Но так как обычно входные статические характеристики для различных значений u_кэ расположены весьма близко друг к другу, часто за входную динамическую характеристику принимают приближенно статическую характеристику (квазидинамическую) для некоторого значения u_кэ, отличающегося от нуля (например, для u_кэ = 5 В).

     Входная характеристика применяется для  графического определения постоянных и переменных напряжений, токов и мощностей, относящихся к входной цепи каскада, а также для определения его входного сопротивления, На рис. 4 показано, как на основе выходной динамической характеристики и входной квазидинамической характеристики (приблизительно соответствующей входной динамической) можно получить нужные для дальнейших расчетов параметры входной цепи. 

     Рис. 4 Выходная динамическая (а) и входная квазидинамическая (б) характеристики для включения транзистора ОЭ 

     Проходная и сквозная динамические характеристики

     Проходная характеристика представляет собой  зависимость выходного тока от входного напряжения i_К = F(u_бэ) при наличии нагрузки в выходной цепи и при равенстве нулю внутреннего сопротивления источника сигналов R₁|, т.е. при возбуждении каскада от идеального генератора ЭДС. Она может быть легко получена из входной динамической (квазидинамической) и выходной динамической характеристик (рис. 4 а и б).

     Сквозная  динамическая характеристика i_к= F(е_ист) отличается от проходной тем, что изменения выходного тока определяются в ней по отношению к ЭДС источника сигналов, имеющего отличное от нуля внутреннее сопротивление R₁. Вследствие этого учитываются потери и искажения напряжения на входе транзистора, вызываемые конечной величиной и нелинейностью его входного сопротивления при данном значении R₁. Для получения сквозной динамической характеристики необходимо использовать выходную и входную характеристики, учитывая, что е_ист = u_бэ + i_бR₁ (рис. 4),

     Сквозная  динамическая характеристика применяется  для определения вносимых каскадом нелинейных искажений.

     2. 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.

Рис.5 Режим А

Здесь исходная смещающая ЭДС между  базой и эмиттером Е_бэ0 выбрана таким образом, что исходный коллекторный ток 1_к0 находится на середине используемого линейного участка характеристики   (I_к0=-). 

     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 режиме! 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 (Р_к). КПД каскада в общем виде (для любого режим работы) определяется как

     η=             (3)

где Р_~ = Р₂ - полезная мощность, выделяемая в нагрузке; Р_о - мощность, потребляемая от источника питания. Мощность, рассеиваемая в транзисторе

     Р_к = Р₀-Р_~.    (4)

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

     Ро = Е_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_бз0 ≈ 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 θ_В= тс/2 (рис. 6). 

     Рис. 6. Режим В

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

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

     P_~=I_{к max}U _кm     (6)

оказывается больше, чем Р_~ 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 I в режиме В можно считать приблизительно равным I_ктmax/π. Мощность, потребляемая от источника питания Р_о при наличии сигнала на входе, определяется средним током и оказывается примерно равной Е_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 β 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.

     Рис. 7. Искажения типа «центральной отсечки» 

     Для того, чтобы сохранить энергетические преимущества режима В и избежать искажений типа «центральной отсечки», используют режим АВ, при котором увеличивают ЭДС смещения Е_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 вы модной ток проходит через транзистор более чем в течение половины периода, т.е. угол отсечки θав ^> π/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 Р₀ = I_к0 Е_к. Мощность, потребляемая от источника питания при наличии сигнала на входе так же, как и в режиме В, определяется среднем током, выражение (5).

     Рис. 8 Режим АВ 

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

     Литература

     1. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усилители. Учебник для техникумов. М.: Радио и связь, 1987.-472 с.: ил.

     2. Бессчетнова Л.В.. Кузьмин В.И., Малинин С.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Письменные лекции.- СПб.: СЗТУ, 205-128с.