Усилители электрических сигналов. Основы усиления. Классы усиления

Как уже было показано выше, транзистор в режиме отсечки можно представить в виде разомкнутого ключа, так как практически все напряжение источника питания падает между его эмиттером и коллектором, а ток коллектора   близок к нулю. Входное напряжение приложено к эмиттерному переходу транзистора в запирающем направлении (рис. 3.39).

Рис. 3.39. Схема ключевого режима работы транзистора

В режиме насыщения во входной цепи транзистора протекает достаточно большой ток базы, при котором ток коллектора достигает максимального значения , близкого к   – максимально возможному току в цепи источника питания. При этом напряжение транзистора имеет минимальное значение , близкое к нулю, что позволяет представить транзистор в виде замкнутого ключа. Отсюда и название этого режима работы – ключевой. В режиме насыщения напряжение на коллекторном переходе   может быть определено:

.              (3.54)

В обычном режиме напряжение  смещает коллекторный переход в обратном направлении, т. е. .

Учитывая то, что в режиме насыщения , третьим слагаемым в выражении (3.32) можно пренебречь. Тогда при достаточно большом базовом токе , ток коллектора , где   – коэффициент передачи по току, может достичь величины, при которой.

              (3.55)

При выполнении этого условия знак в выражении (3.54) изменится на противоположный: , т. е. коллекторный переход будет смещен в прямом направлении, так же как и эмиттерный. Минимальное значение базового тока, при котором выполняется условие (3.55), называется током насыщения . Выражение (3.55) называют критерием насыщения транзистора. Чем больше базовый ток значения , тем глубже насыщение транзистора, тем больше заряд инжектированных из эмиттера носителей накапливается в базе. Относительное значение этого превышения называется степенью насыщения   транзистора:.             

(3.56)

Рассмотрим переходный процесс переключения транзистора. Пусть на вход транзистора подан сигнал (рис. 3.40). На интервале эмиттерный переход смещен в прямом направлении и по нему протекает базовый ток . При этом ток в коллекторной цепи начнет протекать с задержкой на время , которое требуется инжектируемым в базу носителям для прохождения расстояния, равного ширине базовой области.

Рис.3.40. Переходный процесс переключения транзистора

Затем коллекторный ток нарастает постепенно в течение времени , что связано с процессом накопления носителей в базе. После окончания входного импульса в точке входной сигнал меняет полярность; эмиттерный переход смещается в обратном направлении и инжекция носителей в базу прекращается. Но поскольку в базе был накоплен некоторый заряд носителей, то ток коллектора еще в течение времени   будет поддерживаться, а затем снижаться до нуля в течение времени . Время  азывают временем рассасывания неосновных носителей в зоне базы. Таким образом, импульс коллекторного тока существенно отличается от входного импульса в первую очередь тем, что имеет заметные фронты нарастания и спадания.

Фронт спадания коллекторного тока в основном определяется степенью насыщения транзистора. Поэтому с целью избегания глубокого насыщения в цепь базы обычно вводят ограничительное сопротивление   (рис. 3.39). А с целью уменьшения времени включения   это ограничительное сопротивление шунтируют конденсатором , который в первый момент времени шунтирует сопротивление   и поэтому обеспечивает быстрое нарастание базового , а следовательно, и коллекторного тока .

Затем, когда он зарядится от источника входного сигнала, ток базы потечет уже через ограничительное сопротивление   и будет ограничен рост тока  и, следовательно, степень насыщения транзистора. Конденсатор   поэтому называют форсирующим (ускоряющий процесс включения транзистора).

Рассмотрим диаграмму, отражающую величину потерь в транзисторе, работающем в ключевом режиме. На рис. 3.41, а представлена форма входного импульса (ток базы ). На рис. 3.41, б упрощенно изображена форма импульса коллекторного тока .

Для простоты будем считать, что ток базы нарастает в течение фронта  линейно до величины  и в течение фронта спадает до величины обратного тока коллекторного перехода . На рис. 3.41, в показано изменение напряжения на коллекторе   от максимального значения, приближенно равного , до минимального значения .

На рис. 3.41, г представлена мощность , рассеиваемая на транзисторе:,             

(3.57)

где – период следования импульсов;   и   – длительность фронта нарастания и спадания тока; и   – мгновенное значение тока и напряжения в течение фронтов нарастания и спадания ,  – длительность импульса коллекторного тока;  – длительность паузы между импульсами.

Рис. 3.41. Мощность, выделяемая на транзисторе при ключевом режиме работы

Из выражения (3.57) следует, что второе слагаемое, несмотря на большую величину , исчезающе мало, так как . То же можно сказать и о четвертом слагаемом, которое очень мало из-за того, что . Таким образом получается, что мощность, рассеиваемая на транзисторе, работающем в ключевом режиме, а следовательно и нагрев транзистора, в основном определяется длительностью фронтов,  и и, частотой следования импульсов . Потери мощности на транзисторе, обусловленные указанными причинами, называются динамическими потерями или потерями на переключение. С целью снижения этих потерь следует уменьшать длительностью фронтов нарастания и спадания тока транзистора. Для этого служат так называемые форсирующие цепи, которые принудительно ускоряют процесс нарастания и спадания тока. В ключевом режиме КПД оказывается очень высоким, близким к 100 %. Этот режим преимущественно используется в силовых транзисторах, работающих в схемах бесконтактных прерывателей постоянного и переменного тока.

Итог:

-КПД усилительного каскада определяется режимом работы транзистора и связан с углом отсечки.

-Различают режимы работы транзистора с отсечкой выходного тока (AB, B, C, D) и без отсечки (A), когда выходной ток протекает в течение всего периода входного сигнала.

-Усилительный каскад, работающий с отсечкой выходного тока, имеет наибольший КПД

- класс "A" - линейный, усиление происходит на линейном участке ВАХ (вольт-амперная характеристика), отсуствие переходных искажений, но низкий кпд (10-20%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева;

- класс "В" - лампы или транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. усиливают только свою полуволну сигнала в линейном режиме. Это как бы 2 отдельных класса А (для каждой полуволны свой). Высокая экономичность, но возрастают переходные искажения за счёт неидеальности "стыковки" верхней и нижней полуволн сигнала;

- класс "С" этот класс усиления применяется только в ВЧ технике, т.к. для звуковой техники он малопригоден из-за больших переходных искажений сигнала. Рабочая точка выходного каскада смещена далеко за пределы области отсечки так, что транзистор открывается только при максимумах входного сигнала. В ВЧ схемах правильная форма сигнала восстанавливается на нагрузке - резонансном контуре. Эффективность данного усилителя очень высока.

- класс "AB" - компромиссный: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала ("стыковка" ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому, что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается.

- класс "D" - это особый класс на основе ШИМ. Выходные элементы работают полностью в ключевом режиме. Сигнал, полученный с помощью ШИМ, выделяется специальным фильтром нижних частот. Достоинства - очень высокая экономичность, недостатки - ВЧ импульсные помехи, которые необходимо подавлять.

- класс Е - если усилители класса D работают на основе ШИМ, то класс E - в ключевом режиме. В основном используется опять же, в ВЧ аппаратуре.

- класс G — более эффективная версия режима AB. Используется источник питания с разными напряжениями. Активный элемент подключается к источнику питания соответствующей величины, в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, уменьшается напряжение на транзисторах, что приводит к снижению рассеиваемой мощности.

- класс "Н" — похож на класс G, за исключением способа реализации высоковольтной ступени источника питания. Напряжение питания отслеживает напряжение сигнала, оставляя на транзисторе небольшое напряжение, необходимое для работы. Для модуляции напряжения питания используется что-то типа ключевого усилителя класса D.

- класс "T" — похож на класс D, но с использованием цифровой коррекции сигнала.

Заключение

В данном реферате представлена информация об усилителях электрических сигналов, дано определение основных терминов и описание существующих процессов. Также представлена информация о классах усиления и их особенностях. Работа представляет практический интерес как теоретическое пособие, так как материал обработан на основе нескольких источников информации и синтезирован в единую логическую структуру.

Список литературы

1.Бензарь В.К. «Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике.Минск Выш.шк. 1985

2.Гершунский Б.С.  «Основы электроники» Киев, Издательское объединение «Вища школа», 1977

3.Цыкин Г.С. «Усилители электрических сигналов» Москва-Ленинград, Госэнергоиздат, 1961

4. http://electrovoice.com.ua/articles.php?id=16

5. http://translate.google.ru/translate?hl=ru&langpair=en%7Cru&u=http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/audio/part2/page3.html

6. http://translate.google.ru/translate?hl=ru&langpair=en%7Cru&u=http://ecelab.com/amplifier-classes.htm

7. http://kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_3/glv_3_page_11.html#1

8. http://tubeamplifier.narod.ru/dataxd800.htm

1