Основы электронной техники (стр. 35 )

Класс С

В этом случае транзистор смещен в область отсечки (точка С на рис. 30.1). В каждом периоде входного сигнала транзистор проводит ток в течение времени, меньшего длительности полупериода (менее 180°). Выходной сигнал такого усилителя имеет пульсирующий характер, как показано на рис. 30.3. Усилители класса С имеют высокий КПД (65-85%). Они применяются в генераторах и усилителях мощности РЧ.

Рис. 30.3. Динамическое смещение в усилителе класса С. (а) Схема усилителя.

(б) Эквивалентная схема фиксации уровня на элементах С1 — R1

и эмиттерном переходе транзистора.

Смещение

Смещение, задающее работу усилителя в режиме класса А, обеспечивает­ся делителем напряжения, как уже объяснялось ранее. Делитель напря­жения создает необходимое напряжение для прямого смещения перехода база-эмиттер.

Усилители класса В работают в точке отсечки, т. е. при нулевом на­пряжении между базой и эмиттером. В этом случае необходимость в цепи смещения отпадает. Однако, для того чтобы не работать на нелинейном участке характеристики, на базу транзистора подается небольшое напря­жение смещения (0,1-0,2 В) с помощью делителя R1 — R2, показанного на рис. 30.2. Рабочая точка Q оказывается при этом чуть выше точки отсечки.

Усилители класса С смещаются в область отсечки. Другими словами, на переход база-эмиттер подается напряжение обратного смещения. Ис­точником этого смещения является сам входной сигнал, подаваемый на транзистор. Поэтому смещение в усилителях класса С называется еще сигнальным, или динамическим, смещением. Оно может быть реализо­вано двумя способами.

Наиболее эффективный способ представлен на рис. 30.3(а). В отсут­ствие сигнала потенциал базы равен нулю. Как видно из рис. 30.3(б), эмиттерный переход транзистора вместе с конденсатором С1 и резистором R1 образует схему фиксации уровня, которая обеспечивает воспроизведе­ние входного сигнала вместе с отрицательной постоянной составляющей. Уровень этой составляющей приблизительно равен пиковому напряже­нию — Vp. Поэтому на базе транзистора действует напряжение обратного смещения, приблизительно равное амплитудному значению напряжения входного сигнала. Величину напряжения обратного смещения (т. е. «глубину» режима С) можно уменьшить, уменьшая постоянную времени С1R1 (обычно путем выбора резистора R1 меньшего номинала).

Рис. 30.4. Второй способ динамического смещения в усилителях класса С.

(а) Схема усилителя, (б) Эквивалентная схема выпрямления сигнала на элементах R3, С3, и эмиттерном переходе транзистора.

Второй способ представлен на рис. 30.4. В этом случае за счет за­ряда конденсатора С3 на эмиттере транзистора устанавливается поло­жительный потенциал. При нулевом потенциале базы транзистора по­ложительный потенциал эмиттера создает обратное смещение перехода база-эмиттер. Как видно из рис. 30.4(б), этот переход транзистора вместе с конденсатором С3 и резистором R3 выполняет функцию выпрямителя входного сигнала и поддерживает положительный заряд на конденсато­ре С3.

Многокаскадные усилители

На рис. 30.5 показана схема двухкаскадного усилителя ЗЧ с RC-связыо между каскадами. Транзисторы Т1 и Т2 работают в режиме класса А, задаваемом цепями смещения R1 – R2 и R5 – R6 соответственно. Эти два каскада изолированы друг от друга по постоянному току с помощью разделительного конденсатора С3.

Рис. 30.5. Двухкаскадный УЗЧ.

Полоса пропускания

Типичная АЧХ усилителя показана на рис. 30.6. Видно, что коэффициент усиления сохраняет постоянное значение в интервале средних частот, но спадает на низких и высоких частотах.

Спад коэффициента усиления на низкочастотном участке АЧХ вызван влиянием разделительного конденсатора С2 в схеме на рис. 30.5. При уменьшении частоты реактивное сопротивление конденсатора возрастает, что приводит к уменьшению амплитуды сигнала, подаваемого на вход второго каскада на транзисторе Т2. Развязывающие конденсаторы С1 и С3 также снижают усиление на низких частотах, но в гораздо меньшей степени, так что их влиянием можно пренебречь.

Рис. 30.6. Типичная АЧХ усилителя звуковых частот.

Спад коэффициента усиления на высоких частотах связан с тем, что называется паразитными, или межэлектродными, емкостями транзи­стора. Паразитные емкости существуют между различными электро­дами транзистора. Они оказывают шунтирующее действие на вход и выход усилителя, что приводит к снижению коэффициента усиления при высоких частотах. Для каждого транзистора можно указать так называемую граничную (предельную) частоту, при которой коэффици­ент усиления тока транзистора становится слишком мал, чтобы мож­но было использовать транзистор для усиления сигналов. Это наи­более важное ограничение на использование транзисторов на высоких частотах.

Ширина полосы пропускания усилителя определяется между точка­ми АЧХ на уровне 3 дБ, в которых выходное напряжение составляет 70% своего максимального значения, а выходная мощность — половину своего максимального значения.

Усилители ПЧ

Усилители промежуточной частоты (УПЧ) представляют собой уси­лители напряжения, в которых роль нагрузки выполняет частотно-избирательная цепь (резонансный контур). Они работают на частоте 470 кГц в AM-радиовещании, 10,7 МГц в ЧМ-радиовещании и 39,5 МГц в телевидении.

На рис. 30.7 приведена схема типичного УПЧ, используемого в АМ-радиоприемнике. Резисторы R1 и R2 образуют цепь смещения для тран­зистора T1, С2 – развязывающий конденсатор цепи смещения, С4 – эмиттерный развязывающий конденсатор и R3 – эмиттерный резистор, обеспечивающий стабилизацию режима транзистора по постоянному току.

Рис. 30.7. УПЧ для АМ-радиоприемника.

Резонансные контуры C1L1 и C3L3 настроены на ПЧ 470 кГц. Как на входе, так и на выходе усилителя используется трансформаторная связь. Отвод от первичной обмотки выходного трансформатора Тр2 сделан для улучшения избирательности УПЧ. Без этого отвода низкое выходное со­противление r0 транзистора в схеме с ОЭ шунтирует резонансный контур C3L3, снижая его избирательность. При наличии отвода первичная об­мотка образует повышающий автотрансформатор, имеющий t1 витков в «первичной» обмотке и t2 витков во «вторичной» обмотке, как показа­но на рис. 30.8. В этом случае резонансный контур будет шунтировать­ся сопротивлением, эквивалентным сопротивлению r0, приведенному к вторичной обмотке с коэффициентом трансформации n = t1 / t2, меньшим единицы. Величина эквивалентного сопротивления R0 = r1 / n2 (см. гл. 7) гораздо больше величины исходного сопротивления r0. Благодаря этому уменьшается эффект шунтирования и улучшается селективность резо­нансного контура.

Усилители мощности

Все рассмотренные нами усилители относятся к категории усилителей на­пряжения, их основное назначение — получение максимального размаха выходного напряжения. Когда требуется большая выходная мощность, например для «раскачки» мощных громкоговорителей или антенн или питания электродвигателей, применяются усилители мощности. Они ха­рактеризуются высоким коэффициентом усиления по мощности, который достигается за счет высоких коэффициентов усиления по напряжению и по току.

Рис. 30.8. Влияние отвода от первичной обмотки трансформатора в резонансном контуре. Первичная обмотка L3 играет роль автотрансформатора.	Рис. 30.9. Транзисторный усилитель мощности звуковой частоты с заземленным эмиттером.

Режим класса А

На рис. 30.9 приведена базовая схема выходного транзисторного каска­да с эмиттером, заземленным по переменному току. Для получения не­искаженного выходного сигнала усилитель должен работать в режиме класса А. КПД такого усилителя мощности очень мал из-за большого тока, потребляемого от источника питания. От этого усилителя можно получить только небольшую мощность. Его можно использовать в авто­мобильном радиоприемнике, где величина потребляемого тока не имеет значения.

Двухтактный режим работы

Двухтактные выходные каскады почти повсеместно используются в со­временных транзисторных усилителях. Двухтактный усилитель содер­жит два транзистора, работающих в режиме класса В, каждый из кото­рых обеспечивает усиление только одного полупериода входного сигнала.

Двухтактный усилитель с использованием двух идентичных транзисторов

На рис. 30.10 показана упрощенная схема двухтактного усилителя. Эмиттерные переходы транзисторов имеют нулевое напряжение смещения, по­этому каждый из транзисторов проводит ток только в одном из двух чере­дующихся полупериодов входного сигнала. Входной трансформатор Tp1 с отводом от средней точки вторичной обмотки работает как расщепитель фазы.

Рис. 30.10. Двухтактный усилитель мощности с двумя идентичными транзи­сторами и трансформаторным расщепителем фазы.

Два равных и противоположных по знаку (противофазных) сигнала формируются в каждом полупериоде на половинах вторичной об­мотки этого трансформатора: сигнал Va, находящийся в фазе с входным сигналом, и сигнал Vb, противофазный входному сигналу. В то время как положительный полупериод сигнала Va соответствует положительному периоду входного сигнала, положительный полупериод сигнала Vb соот­ветствует отрицательному полупериоду входного сигнала. Транзисторы T1 и T2 открываются, когда потенциал базы транзистора становится по­ложительным по отношению к потенциалу эмиттера. Таким образом, транзистор T1 открыт в течение положительного полупериода сигнала Va. При этом через него протекает ток i1 от эмиттера к коллектору и далее через верхнюю половину первичной обмотки выходного трансфор­матора Tp2 к источнику питания VCC. Этот ток создает положитель­ный полупериод выходного сигнала на вторичной обмотке трансформато­ра Tp2. Транзистор T2 открыт в положительном полупериоде сигнала Vb, при этом ток i2 протекает снизу вверх (в обратном по отношению к току i1 направлении) через нижнюю половину трансформатора Tp2, создавая отрицательный полупериод выходного сигнала на его вторичной обмотке. Выходной трансформатор с отводом от средней точки первичной обмотки объединяет эти два полупериода в один полный период выходного сигна­ла. Транзисторы T1 и T2 включены по схеме с общим эмиттером и имеют при этом относительно высокое выходное сопротивление. Так как сопро­тивление нагрузки выходного каскада очень мало, обычно менее 10 Ом в случае громкоговорителя, всегда используется согласующий трансфор­матор Tp2.