Методы смещения (биполярные транзисторы)

В разделе данной главы про схему усилителя с общим эмиттером мы видели результаты SPICE анализа, где выходной сигнал был похож по форме на сигнал на выходе полуволнового выпрямителя: воспроизводилась только одна полуволна входного сигнала, а вторая полностью отсекалась. Поскольку наша цель на тот момент заключалась в воспроизведении всей формы сигнала, это представляло собой проблему. Решением этой проблемы было добавление на вход усилителя небольшого напряжения смещения, так чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. Это дополнение называлось напряжением смещения.

Для некоторых приложений полуволновый выход не является проблемой. На самом деле, некоторые приложения могут потребовать усиление такого рода. Поскольку возможно работать с усилителем в режимах, отличных от полуволнового воспроизведения, и для конкретных приложений требуются воспроизведение разных диапазонов форм сигнала, полезно описать степень, в которой усилитель воспроизводит форму входного сигнала, назначая ей соответствующий класс. Усилители подразделяются по классам с помощью букв: A, B, C и AB.

При работе класса A воспроизводится вся форма входного сигнала. Хотя я еще не представил эту концепцию в разделе про схему с общим эмиттером, это то, чего мы хотели достичь в наших моделированиях. Работа в классе A может быть получена только тогда, когда транзистор всё время находится в активном режиме, никогда не достигая режимов отсечки или насыщения. Для достижения этого обычно постоянное напряжение смещения устанавливается на уровне, необходимом для того, чтобы вывести транзистор в режим, ровно посередине между отсечкой и насыщением. Таким образом, входной сигнал переменного напряжения будет идеально «центрирован» между минимальным и максимальным ограничивающими сигнал уровнями.

Работа в классе B – это то, что мы впервые получили, подав сигнал переменного напряжения на вход усилителя с общим эмиттером без постоянного напряжения смещения. Транзистор провел половину периода синусоиды в активном режиме, а вторую половину – в режиме отсечки с входным напряжением, слишком низким (или даже противоположной полярности!) для прямого смещения перехода база-эмиттер.

Сам по себе усилитель, работающий в режиме класса B, не очень полезен. В большинстве случаев сильное искажение, введенное в форму сигнала путем отсечки ее половины, было бы неприемлемым. Однако работа в режиме класса B является полезным режимом смещения, если два усилителя работают как двухтактная пара, каждый усилитель обрабатывает за период синусоиды только одну полуволну:

Транзистор Q1 «толкает» (подает выходное напряжение в положительном направлении относительно земли), в то время как транзистор Q2 «тянет» (в отрицательном направлении относительно земли). Отдельно каждый из этих транзисторов работает в режиме класса B, активен только во время одной половины периода входной синусоиды. Однако вместе они работают как команда для формирования выходного сигнала, идентичного по форме входному сигналу.

Решающим преимуществом схемы усилителя класса B (двухтактного) по сравнению со схемой класса A является большая выходная мощность. В схеме класса A транзистор рассеивает значительную энергию в виде тепла, так как он никогда не прекращает проводить ток. Во всех точках периода синусоиды он находится в активном (проводящем) режиме, проводя значительный ток, и на нем падает значительное напряжение. Существенная мощность рассеивается транзистором на протяжении всего периода синусоиды входного сигнала. В схеме класса B каждый транзистор проводит половину периода синусоиды в режиме отсечки, где он рассеивает нулевую мощность (нулевой ток = нулевая рассеиваемая мощность). Это дает каждому транзистору время для «отдыха» и охлаждения, в то время как другой транзистор переносит сигнал на нагрузку. Усилители класса A более просты в разработке, но, как правило, их применение по простой причине (рассеяние тепла на транзисторе) ограничено низкочастотными сигнальными приложениями.

Другой класс работы усилителя, известный как класс AB, находится где-то между классами A и B: транзистор проводит ток во время более 50%, но менее 100% длительности периода входного сигнала.

Если смещение входного сигнала для усилителя будет немного отрицательным (противоположно полярности смещения для режима класса A), то форма выходного сигнала будет «обрезана» больше, чем при смещении класса B, что приведет к такой работе, когда транзистор проводит большую часть времени в режиме отсечки:

Сначала эта схема может показаться совершенно бессмысленной. В конце концов, насколько полезным может быть усилитель, если он так обрезает сигнал? Если выходной сигнал используется напрямую без каких-либо обработок, польза от этого усилителя действительно будет сомнительной. Однако с применением схемы резонансного контура (параллельно включенных индуктивности и конденсатора) на выходе усилителя редкие всплески выходного сигнала, выдаваемые усилителем, могут привести в движение непрерывные колебания, поддерживаемые резонансным контуром. Это можно сравнить с машиной, где тяжелый маховик получает редкие «толчки», чтобы он вращаться:

Схема усилителя класса C обладает высокой энергоэффективностью, поскольку транзистор(ы) проводят большую часть времени в режиме отсечки, где они рассеивают нулевую мощность. Величина отсечки формы выходного сигнала (уменьшение амплитуды колебаний «толчков» от усилителя) здесь для наглядности преувеличена. Из-за наличия резонансного контура на выходе эта схема используется только для усиления сигналов определенной фиксированной амплитуды. Усилитель класса C может использоваться в радиопередатчиках с FM (частотной модуляцией). Однако из-за искажений он не может напрямую усилить AM (амплитудно-модулированный) сигнал.

Еще один режим работы усилителя, значительно отличающийся от классов A, B, AB и C, называется классом D. Он не зависит от прикладывания определенной величины напряжения смещения, как другие классы режимов, а требует радикального изменения схемы усилителя. В этой главе слишком рано исследовать, как построен усилитель класса D, но не слишком рано обсудить основной принцип его работы.

Усилитель класса D воспроизводит очертание формы входного напряжения, создавая высокочастотные импульсы на выходе. Коэффициент заполнения этого выходного сигнала (отношение времени «включения» к периоду сигнала) изменяется в зависимости от мгновенного напряжения сигнала на входе. Графики на рисунке ниже демонстрируют этот принцип работы.

Чем больше мгновенное напряжение входного сигнала, тем больше коэффициент заполнения прямоугольных импульсов выходного сигнала. Если и есть цель использования схемы усилителя класса D, то это избегание работы транзистора в активном режиме. Поскольку выходной транзистор усилителя класса D никогда не находится в активном режиме, а только в режимах отсечки и насыщения, на нем будет рассеиваться мало тепловой энергии. Это приводит к очень высокой энергоэффективности этого усилителя. Конечно, недостатком этой технологии является подавляющее присутствие гармоник на выходе. К счастью, поскольку частоты этих гармоник обычно намного превышают частоту входного сигнала, они могут быть относительно легко отфильтрованы с помощью фильтра нижних частот, в результате чего выходной сигнал очень близко напоминает по форме входной. Технология класса D обычно встречается там, где используются чрезвычайно высокие уровни по мощности и относительно низкие частоты, например, в промышленных инверторах (устройствах, преобразующих постоянное напряжение в переменное для запуска двигателей и других крупных устройств) и высокопроизводительных аудиоусилителях.

Термин, который вы, скорее всего, встретите во время изучения электроники, называется точка покоя, что означает условие нулевого сигнала на входе схемы. Ток точки покоя представляет собой величину тока в схеме с приложенным нулевым напряжением входного сигнала. Напряжение смещения в транзисторной схеме вынуждает транзистор работать при таком значении тока коллектора при нулевом напряжении входного сигнала, которое отличается от значения тока коллектора при отсутствии смещения. Следовательно, величина смещения в схеме усилителя определяет параметры его точки покоя.

В усилителе класса A ток покоя должен быть равен точно половине его значения насыщения (на полпути между насыщением и отсечкой, отсечка определяется по нулю). В усилителях классов B и C токи покоя равны нулю, поскольку при отсутствии сигнала на входе они должны быть в режиме отсечки. Усилители класса AB имеют очень низкие значения тока покоя, чуть выше отсечки. Чтобы проиллюстрировать это графически, на графике выходных характеристик транзистора иногда рисуется «нагрузочная линия», чтобы проиллюстрировать диапазон работы транзистора при подключении определенного сопротивления нагрузки (рисунок ниже).

Нагрузочная линия представляет собой график напряжения коллектор-эмиттер в диапазоне токов коллектора. В нижнем правом конце нагрузочной линии напряжение находится на максимуме, а ток равен нулю, что представляет собой состояние отсечки. В верхнем левом конце линии напряжение равно нулю, а ток максимален, что представляет собой состояние насыщения. Точки отмечают, где нагрузочная линия пересекается с различными выходными характеристиками транзистора, и представляют реальные рабочие состояния для данных токов базы.

На этом графике может быть отмечена точка покоя в виде одной точки на нагрузочной линии. Для усилителя класса A точка покоя будет находиться на середине нагрузочной линии, как показано на рисунке ниже.

На этой иллюстрации точка покоя попадает на выходную характеристику, соответствующую току базы 40 мкА. Если бы мы изменили в схеме сопротивление нагрузки на большее значение, это повлияло бы на наклон нагрузочной линии, так как большее сопротивление нагрузки ограничило бы максимальный ток коллектора при насыщении, но не изменило бы напряжение коллектор-эмиттер при отсечке. Графически результат представляет собой нагрузочную линию с левым верхним концом в другой точке и правым нижним концом на том же месте (рисунок ниже).

Обратите внимание, что новая нагрузочная линия теперь не пересекает выходную характеристику 75 мкА на ее прямом участке, как это было ранее. Это очень важно понимать, поскольку негоризонтальная часть выходной характеристики представляет собой состояние насыщения. При пересечении нагрузочной линии выходной характеристики 75 мкА вне горизонтального участка характеристики означает, что усилитель при такой величине тока базы будет находиться в состоянии насыщения. Увеличение значения сопротивления нагрузки вызывает то, что нагрузочная линия пересекает выходную характеристику 75 мкА в новой точке, и это указывает на то, что насыщение будет происходить при меньшем значении тока базы.

При использовании в схеме старого резистора нагрузки меньшего номинала ток базы 75 мкА даст пропорциональный ток коллектора (ток базы, умноженный на β). На первом графике нагрузочной линии ток базы 75 мкА давал ток коллектора почти в два раза больше, чем при токе базы 40 мкА, что можно было бы предугадать в соответствии с коэффициентом β. Однако на последнем графике ток коллектора между токами базы 40 мкА и 75 мкА увеличивается незначительно, поскольку на транзисторе начинает падать напряжение коллектор-эмиттер, недостаточное для продолжения регулирования тока коллектора.

Для поддержания линейной (без искажений) работы транзисторные усилители не должны работать в точках, где транзистор будет насыщаться; то есть, когда нагрузочная линия может не попадать на горизонтальный участок выходной характеристики коллекторного тока. Нам нужно добавить еще несколько выходных характеристик на график на рисунке ниже, прежде чем сможем сказать, насколько сильно мы сможем «раскачать» транзистор, увеличивая ток базы, до того, как он уйдет в режим насыщения.

На этом графике видно, что самая высокая точка на нагрузочной линии, попадающая на прямой участок выходной характеристики, является точкой на кривой при токе базы 50 мкА. Эта новая точка должна считаться максимально допустимым уровнем входного сигнала для работы в режиме класса A. Также для работы в режиме класса A смещение должно быть установлено так, чтобы точка покоя находилась на полпути между этой новой точкой и отсечкой, как показано на рисунке ниже.

Теперь, когда мы знаем немного больше о последствиях различных уровней постоянного напряжения смещения, пришло время исследовать практические методы смещения. До сих пор я показывал источник небольшого постоянного напряжения (батарею), подключенный последовательно с входным сигналом переменного напряжения, для смещения усилителя в требуемый класс режима работы. В реальной жизни подключение точно калиброванной батареи к входу усилителя просто не практично. Даже если бы можно было настроить батарею для выдачи только необходимой величины напряжения для любого заданного смещения, эта батарея не оставалась бы в своем первоначальном состоянии неограниченно долго. Как только она начнет разряжаться, ее выходное напряжение опустится, а усилитель начнет постепенно переходить к работе в режиме класса B.

Возьмем для примера схему, которую мы использовали для SPICE моделирования в разделе про каскад с общим эмиттером (рисунок ниже).

Эту батарею с напряжением V_смещ = 2.3 вольта в реальную схему усилителя включать нецелесообразно. Более практичный способ получения напряжения смещения для этого усилителя состоял бы в получении необходимых 2.3 вольт с помощью делителя напряжения, подключенного к батарее 15 вольт. В конце концов, батарея 15 вольт уже есть, а схемы делителей просты в проектировании и сборке. Посмотрим, как это может выглядеть на рисунке ниже:

Если мы выберем пару номиналов резисторов R₂ и R₃, которые дадут 2,3 вольта на R3 из общих 15 вольт (например, 8466 Ом для R2 и 1533 Ом для R3), то получим необходимое значение 2,3 вольта между базой и эмиттером для смещения без сигнала на входе. Единственная проблема заключается в том, что эта схема помещает источник сигнала переменного напряжения непосредственно параллельно с R₃ в нашем делителе напряжения. Это неприемлемо, так как источник переменного напряжения будет стремиться подавить любое постоянное напряжение, падающее на R₃. Параллельные компоненты должны иметь одинаковое напряжение, поэтому, если источник переменного напряжения напрямую подключен к одному резистору делителя постоянного напряжения, источник переменного напряжения «победит», и к сигналу не добавится постоянное напряжение смещения.

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть пока и не понятно, почему она будет работать, заключается в установке конденсатора между источником переменного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке ниже.

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником переменного напряжения и делителем постоянного напряжения, передавая правктически всё переменное напряжение сигнал на транзистор, блокируя при этом всё постоянное напряжения от замыкания через источник сигнала переменного напряжения. Это имеет смысл, если вы понимаете теорему суперпозиции, и как она работает. В соответствии с суперпозицией любая линейная, двухсторонняя схема может быть проанализирована по частям, рассматривая за раз только один источник питания, а затем алгебраически сложить влияния всхе источников питания, чтобы получить конечный результат. Если бы мы отделили конденсатор и делитеьл напряжения R₂–R₃ от остальной части схемы усилителя, было бы легче понять, как работает эта суперпозиция переменного и постоянного напряжений.

При наличии только одного источника сигнала переменного напряжения и конденсатора с очень низким сопротивлением на частоте сигнала, почти всё переменное напряжение появится на резисторе R₃:

При наличии только источника постоянного напряжения конденсатор оказывается разомкнутой цепью, и поэтому ни он, ни источник сигнала переменного напряжения не будут влиять на работу делителя напряжения R₂–R₃ (рисунок ниже).

Объединив эти два отдельных анализа на рисунке ниже, мы получим суперпозицию (почти) 1,5 вольт переменного напряжения и 2,3 вольт постоянного напряжения, готовых к подаче на базу транзистора.

Достаточно разговоров, пора промоделировать в SPICE схему всего усилителя на рисунке ниже. Мы будем использовать конденсатор номиналом 100 мкФ, чтобы получить очень низкое (0,796 Ом) сопротивление на частоте 2000 Гц:

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 8466
r3 5 0 1533
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15 
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end

Обратите внимание на существенное искажение выходного сигнала на рисунке выше. Синусоида обрезается в течение большей части отрицательного полупериода входного сигнала. Это говорит о том, что транзистор переходит в режим отсечки, хотя и не должен (я предполагал работу в режиме класса A). Почему? Этот новый способ смещения должен давать нам точно такое же постоянное напряжение смещения, как и старый, верно?

Ненагруженная цепь из конденсатора и резисторов R₂–R₃ обеспечивает точно 2,3 вольта постоянного напряжения смещения. Однако, как только мы подключаем эту схему к транзистору, она больше не является ненагруженной. Ток, протекающий через базу транзистора, буде нагружать делитель напряжения, тем самым уменьшая постоянное напряжение смещения, доступное для транзистора. Использование модель транзистора с диодом и источником тока (рисунок ниже) делает проблему смещения очевидной.

Напряжение на выходе делителя зависит не только он номиналов составляющих его резисторов, но и от того, какой ток протекает от него через нагрузку. PN переход база-эмиттер транзистора представляет собой нагрузку, которая уменьшает постоянное напряжение на R₃, из-за того, что ток смещения складывается с током R₃ и вместе с ним проходит через R₂, нарушая коэффициент деления, установленный ранее значениями сопротивлений R₂ и R₃. Чтобы получить постоянное напряжение смещения 2,3 вольта, значения R₂ и R₃ должны быть скорректированы для компенсации влияния нагрузки тока базы. Чтобы увеличить постоянное напряжение на R₃, уменьшите сопротивление R₂ или увеличьте сопротивление R₃, или сделайте и то, и другое.

voltage divider biasing
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
c1 1 5 100u
r1 5 2 1k
r2 4 5 6k  <--- R2 уменьшен до 6 кОм
r3 5 0 4k  <--- R3 увеличен до 4 кОм
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1) 
.end

Новые значение резисторов 6 кОм и 4 кОм (R₂ и R₃ соответственно) на рисунке выше приводят к воспроизведению формы сигнала в режиме класса A, как мы и хотели.

Подведем итоги:

• Режим работы класса A представляет собой усилитель, смещенный так, чтобы транзистор находился в активном режиме в течение всего периода входного сигнала, таким образом, точно воспроизводя всю форму сигнала.
• Режим работы класса B представляет собой усилитель, смещенный так, чтобы воспроизводится только один полупериод формы входного сигнала: либо положительная, либо отрицательная полуволна. Транзистор проводит половину времени в активном режиме, а половину – в режиме отсечки. Пары транзисторов, работающих в режиме класса B, часто используются для обеспечения усиления большой мощности в системах аудиосигналов, каждый транзистор из пары обрабатывает только один полупериод формы сигнала. Режим класса B обеспечивает лучшую энергоэффективность, чем усилитель класса A с такой же выходной мощностью.
• Режим работы класса AB – усилитель смещен в точку где-то между классами A и B.
• Режим работы класса C – усилитель смещен для усиления лишь небольшой части формы сигнала. Большую часть времени транзистор проводит в режиме отсечки. Для того, чтобы на выходе был сигнал полной формы, часто используется схема резонансного контура, применяемая в качестве «маховика», для поддержания колебаний на некоторое время после каждого «толчка» от усилителя. Поскольку транзистор не проводит ток большую часть времени, это приводит к высокой энергоэффективности усилителя класса C.
• Для работы в режиме класса D требуется усовершенствованная схема, которая функционирует по принципу представления мгновенной напряжения входного сигнала с помощью коэффициента заполнения периода высокочастотных прямоугольных импульсов. Выходной транзистор(ы) никогда не работает в активном режиме, а только в режимах насыщения и отсечки. Вследствие чего рассеивается небольшое значение тепловой энергии.
• Постоянное напряжение смещения входного сигнала, необходимое для работы в определенных режимах работы (особенно класс A и класс C), может быть получено за счет использования делителя напряжения и разделительного конденсатора, вместо батареи, соединенной последовательно с источником переменного напряжения.

Теги