Методы смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП)[1]
В этой главе в разделе, посвящённом усилительному каскаду с общим эмиттером, мы рассмотрели анализ SPICE, на графике которого (изображён на рисунке 11 в том разделе) форма выходного сигнала напоминала форму полуволнового выпрямленного сигнала: воспроизводилась только половина формы входного сигнала, а другая половина была полностью «срезана». Поскольку нашей целью в тот момент было воспроизвести всю форму волны, это составляло проблему. Решением этой проблемы было добавление небольшого напряжения смещения на вход усилителя, чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего волнового цикла. Это добавочное напряжение было названо напряжением смещения.
Однако полуволновой выход не всегда является проблемой для приложений. В некоторых приложениях может потребоваться как раз именно такой вид усиления, поскольку подобный усилитель можно использовать в режимах, отличных от полноволнового воспроизведения, а для конкретных приложений требуются разные диапазоны воспроизведения. Поэтому есть смысл классифицировать усилители, в зависимости от степени, в которой воспроизводится входной сигнал, какая на выходе получается форма волны. Класс работы усилителя обозначается буквами латинского (не русского!) алфавита: A, B, C и AB.
Начнём с класса A, в котором полностью воспроизводится форма входного сигнала.
Классы усилителей
Класс А
Приложение выполняет полезную работу только тогда, когда транзистор проводит всё своё время в активном режиме, никогда не достигая ни состояния отсечки, ни состояния насыщения. Для этого обычно устанавливается достаточное напряжение смещения постоянного тока на уровне, необходимом для управления транзистором (точно посередине между отсечкой и насыщением). Таким образом, входной сигнал переменного тока будет идеально «центрирован» между верхним и нижним предельными уровнями сигнала усилителя.
Рис. 1. Класс A: выходной сигнал усилителя точно воспроизводит входной сигнал.
Класс B
Выполнение полезной работы – это то, к чему мы стремились в первом случае, когда сигнал переменного тока подавался на усилитель с общим эмиттером без напряжения смещения (включения) постоянного тока. Половину времени транзистор находится в активном режиме, а другую половину – в режиме отсечки при слишком низком входном напряжении (или даже неправильной полярности!) для прямого включения перехода база/эмиттер.
Рис. 2. Класс B: смещение (включение) таково, что воспроизводится половина (180° из 360°) формы волны.
Сам по себе усилитель, работающий в таком режиме, не очень полезен. В большинстве случаев серьёзные искажения, вносимые во входной сигнал за счёт его «переполовинивания», являются неприемлемыми. Однако класс B является полезным режимом смещения, если два усилителя работают как двухтактная пара, причём каждый усилитель обрабатывает только «свою» половину входного сигнала за раз:
Рис. 3. Двухтактный усилитель класса B: каждый транзистор воспроизводит половину входного сигнала. Объединение «половинок» даёт точное воспроизведение всей входной волны.
Транзистор Q1 «подталкивает» (перемещает выходное напряжение в положительном направлении относительно заземления), в то время как транзистор Q2 «подтягивает» выходное напряжение (в отрицательном направлении, в сторону 0 вольт относительно заземления). По отдельности каждый из этих транзисторов работает в режиме класса B, активном только в течение половины периода входного сигнала. Но в результате их «командной» работы возникает синергия, создавая выходной сигнал, идентичный по форме входному.
Несомненным преимуществом конструкции усилителя класса B (двухтактного) над конструкцией класса A является бо́льшая выходная мощность. Благодаря конструкции класса A транзистор рассеивает значительную энергию в виде тепла, поскольку он никогда не прекращает проводить ток. Во всех точках волнового цикла он находится в активном (проводящем) режиме, проводя значительный ток и значительно снижая напряжение. В течение всего цикла транзистор рассеивает значительную мощность. В конструкции класса B каждый транзистор половину времени проводит в режиме отсечки, где он рассеивает нулевую мощность (нулевой ток = нулевое рассеивание мощности). Это даёт каждому транзистору время «отдохнуть» и остыть, в то время как другой транзистор несёт нагрузку. Усилители класса A имеют более простую конструкцию, но, как правило, ограничиваются приложениями для передачи сигналов с низким энергопотреблением по той причине, что транзисторы рассеивают тепло.
Класс AB
Есть ещё класс усилителей, известный как AB, это нечто среднее между классом A и классом B: транзистор проводит более 50% входного сигнала, но работает менее 100% времени, проводя ток.
Если смещение входного сигнала для усилителя немного отрицательно (противоположно полярности смещения для работы класса A), форма выходного сигнала будет более «обрезана», чем при смещении класса B, что приведет к режиму работы, при которой транзистор проводит бо́льшую часть время в состоянии отсечки.
Класс C
Рис. 4. Класс C: ток проводится в течение менее половины цикла (<180°).
На первый взгляд это выглядит совершенно бессмысленным. В конце концов, в чём прок от усилителя, который основную часть времени отсекает входной сигнал? Если выходной сигнал используется напрямую без какого-либо кондиционирования (т.е. без обработки, разновидностью которой, например, является усиление сигнала), полезность такого устройства действительно сомнительна. Однако если пропустить выходной сигнал через колебательный контур (часть схемы, где присутствует параллельная резонансная комбинация катушки индуктивности и конденсатора) случайные всплески, создаваемые усилителем, запускают в колебательном контуре самоподдерживающиеся высокочастотные колебания. Это можно сравнить с машиной, в которой тяжёлому маховику время от времени нужно отвешивать «пендель», чтобы он не перестал вращаться:
Рис. 5. Усилитель класса C, управляющий колебательным контуром.
Эта схема также обладает высокой энергоэффективностью, поскольку транзисторы проводят бо́льшую часть времени в состоянии отсечки, где они рассеивают нулевую мощность. Скорость затухания формы выходного сигнала (уменьшение амплитуды колебаний между «толчками» от усилителя, на рисунке 5 изображено в виде небольшой осциллограмм) здесь преувеличена для удобства иллюстрации. Из-за настроенного колебательного контура на выходе эта схема может использоваться только для усиления сигналов определённой фиксированной амплитуды. Усилитель класса C используется в FM-передатчиках (обеспечивает частотную модуляцию). Однако усилитель класса C не может напрямую усиливать AM (амплитудно-модулированный) сигнал из-за искажений.
Класс D
Этот вид усилителя значительно отличается от классов A, B, AB или С. Если в других классах результат достигается за счёт определённой дозировки напряжения смещения, то в классе D принцип работы радикального иной. В данной главе пока ещё слишком рано подробно исследовать, как именно устроен усилитель класса D, но его основной принцип работы можно рассмотреть прямо сейчас.
Усилитель класса D воспроизводит профиль формы волны входного напряжения, генерируя быстро пульсирующую прямоугольную волну на выходе. Рабочий цикл выходного сигнала (время включения по сравнению с общим временем цикла) зависит от мгновенной амплитуды входного сигнала:
Рис. 6. Усилитель класса D: входной сигнал и нефильтрованный выход.
Чем больше мгновенное напряжение входного сигнала, тем больше скважность (отношение периода следования импульсов к длительности импульса) выходного прямоугольного импульса. Если для чего-то и могут понадобиться конструкции класса D, то для того, чтобы транзистор не выполнял работу, находясь при этом в активном режиме. Поскольку выходной транзистор усилителя класса D никогда не находится в активном режиме, а только отсечён или насыщен, он будет рассеивать немного тепловой энергии. Это приводит к очень высокой энергоэффективности усилителя. Конечно, недостатком этой стратегии является подавляющее присутствие гармоник на выходе. К счастью, поскольку эти гармонические частоты обычно намного больше, чем частота входного сигнала, они могут быть относительно легко отфильтрованы фильтром нижних частот, в результате чего выходной сигнал более близок к исходной форме волны входного сигнала. Технологии на базе класса D обычно встречаются там, где присутствуют чрезвычайно высокие уровни мощности и относительно низкие частоты, например, в промышленных инверторах (устройствах, преобразующих постоянный ток в переменный ток для работы двигателей и других крупных устройств) и высокопроизводительных усилителях звука.
Ток покоя в усилителях
Термин, с которым вы, вероятно, столкнётесь при изучении электроники, называется «покой», обозначающий состояние схемы с нулевым входным сигналом. Например, ток покоя – это величина тока в цепи с нулевым напряжением входного сигнала. Напряжение смещения в схеме транзистора заставляет транзистор работать с другим уровнем коллекторного тока с нулевым напряжением входного сигнала, чем без этого напряжения смещения. Следовательно, величина смещения в цепи усилителя определяет его значения в состоянии покоя.
В усилителе класса A ток покоя должен быть равен ровно половине от его значения насыщения (посередине между насыщением и отсечкой, отсечка по определению равна нулю). Усилители классов B и C имеют нулевые значения тока покоя, поскольку они должны быть отключены без подачи сигнала. Усилители класса AB имеют очень низкие значения тока покоя, чуть выше отсечки. Чтобы проиллюстрировать это графически, на характеристические кривые транзистора иногда наносится «нагрузочная линия», чтобы проиллюстрировать диапазон его работы при подключении к сопротивлению нагрузки определённого значения:
Рис. 7. Пример нагрузочной линии, пересекающей характеристические кривые транзистора от VПитание до IНасыщение.
Нагрузочная линия – это график напряжения коллектор/эмиттер в диапазоне коллекторных токов. В правом нижнем углу нагрузочной линии напряжение на максимуме, а ток на нуле, что соответствует отключённому транзистору (находящемуся в состоянии отсечки). В верхнем левом углу нагрузочной линии напряжение нулевое, а ток максимален, что соответствует состоянию насыщения. Точки, отмеченные в местах пересечения нагрузочной линией различных кривых для различных транзисторов – это реальные условия работы для указанных базовых токов.
Оптимальные рабочие условия можно изобразить на графике в виде единственной точки (так называемой точки покоя) на нагрузочной линии. Для усилителя класса A точка покоя будет посередине линии нагрузки:
Рис. 8. Точка покоя для класса А.
На этом рисунке точка покоя относится к кривой, представляющей базовый ток 40 мкА. Если бы мы изменили сопротивление нагрузки в этой цепи на большее значение, это повлияло бы на наклон нагрузочной линии, поскольку большее сопротивление нагрузки ограничило бы максимальный ток коллектора при насыщении, но не изменило бы напряжение коллектор/эмиттер при отсечке. Графически результатом будет нагрузочная линия с другой верхней левой точкой и той же нижней правой точкой, что и в предыдущем случае:
Рис. 9. Нагрузочная линия, полученная в результате повышенного сопротивления нагрузки.
Обратите внимание на то, что новая нагрузочная линия не пересекает кривую 75 мкА на своём плоском участке, как это было раньше. Это очень важно, потому что негоризонтальный участок характеристической кривой отображает состояние насыщения. Если нагрузочная линия пересекает кривую 75 мкА за пределами горизонтального диапазона кривой, это означает, что усилитель насыщен при этой величине базового тока. Увеличение значения резистора нагрузки – это то, что заставило нагрузочную линию пересечь кривую 75 мкА в этой новой точке, и это указывает на то, что насыщение произойдёт при меньшем значении тока базы, чем раньше.
Со старым нагрузочным резистором меньшего номинала в цепи базовый ток 75 мкА даст пропорциональный коллекторный ток (базовый ток, умноженный на β). В первом случае (графики на рисунках 7-8) базовый ток 75 мкА даёт ток коллектора почти вдвое больший, чем был получен при 40 мкА, как и предсказывает коэффициент β. Однако коллекторный ток незначительно увеличивается между токами базы 75 мкА и 40 мкА, потому что транзистор начинает терять достаточное напряжение коллектор/эмиттер, чтобы продолжать регулировать ток в коллекторе.
Для поддержания линейной работы (т.е. без искажений) транзисторные усилители не должны работать в точках насыщения транзистора; то есть там, где нагрузочная линия потенциально не попадает на горизонтальный участок кривой коллекторного тока. Нам нужно добавить ещё несколько кривых к графику (как на рисунке 10 ниже), прежде чем мы сможем сказать, насколько далеко мы можем «протолкнуть» этот транзистор с при увеличении базового тока, прежде чем будет достигнуто состояние насыщения.
Рис. 10. Дополнительные кривые базового тока детальнее показывают, как достигается состояние насыщения.
На этом графике видно, что точка с наибольшим током на нагрузочной линии, приходящаяся на прямой участок кривой, является точкой на кривой 50 мкА. Эту новую точку следует рассматривать как максимально допустимый уровень входного сигнала для работы класса А. Также для работы класса A смещение должно быть установлено таким образом, чтобы точка покоя находилась посередине между этой новой максимальной точкой и отсечкой:
Рис. 11. Новая точка покоя избегает области насыщения.
Теперь, когда мы знаем немного больше о последствиях различных уровней напряжения смещения постоянного тока, пришло время изучить практические методы смещения. Источник постоянного напряжения (батарея), подключённый последовательно к входному сигналу переменного тока, способствует работе усилителя в любом желаемом классе работы. В реальной жизни подключать филигранно откалиброванный аккумулятор ко входу усилителя просто нецелесообразно. Даже если бы можно было настроить батарею так, чтобы она вырабатывала точное количество напряжения для любого заданного требуемого смещения, в этой батарее лишь некоторое ограниченное время будет тот уровень напряжения, который был заложен в неё изначально. В процессе разрядки выходное напряжение упадёт, усилитель начнёт мигрировать в режим работы класса B.
Возьмём эту схему (её мы разбирали в разделе про усилительные каскады с общим эмиттером, смоделировав её в SPICE):
Рис. 12. Непрактичное смещение базовой батареи.
Эту 2,3-вольтовую батарею VСмещ. нет особого смысла включать в реальную усилительную схему. Куда как практичнее получать необходимые 2,3 В напряжения смещения для этого усилителя с помощью цепи делителя напряжения, подключённой к 15-вольтовой батарее. В конце концов, в случае надобности 15-вольтовая батарея уже есть, а схемы делителя напряжения легко спроектировать и построить. Посмотрим, как это могло бы выглядеть:
Рис. 13. Смещение делителя напряжения.
Если мы выберем пару номинальных резисторов для R2 и R3, которые будут давать 2,3 В на R3 из 15 вольт (например, 8466 Ом для R2 и 1533 Ом для R3), у нас должно быть желаемое значение 2,3 В между базой и эмиттером для смещения при отсутствии входного сигнала. Единственная проблема заключается в том, что в этой конфигурации источник входного сигнала переменного тока размещён непосредственно параллельно с R3 нашего делителя напряжения. Это неприемлемо, поскольку источник переменного тока будет склонен превосходить любое напряжение постоянного тока, падающее на R3. Параллельные компоненты должны иметь одинаковое напряжение, поэтому, если источник переменного напряжения напрямую подключён к одному резистору делителя постоянного напряжения, источник переменного тока будет доминировать, и к сигналу не будет добавляться напряжение смещения постоянного тока.
Один из способов заставить такую схему работать (хотя может быть неочевидно, почему она будет работать) – это разместить разделительный конденсатор между источником переменного напряжения и делителем напряжения:
Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником переменного тока и делителем напряжения постоянного тока, пропуская почти все напряжение сигнала переменного тока на транзистор, блокируя при этом все напряжение постоянного тока от короткого замыкания через источник сигнала переменного тока. Будет понятнее, если вы посмотрите на эту ситуацию через призму теоремы о суперпозиции. В соответствии с суперпозицией любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R2//R3 от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.
При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте сигнала почти всё напряжение переменного тока проявляется на R3:
Рис. 15. Из-за очень низкого импеданса связующего конденсатора на частоте сигнала он ведёт себя как кусок провода, поэтому его можно не использовать на этом этапе анализа с помощью теоремы о суперпозиции.
При действии только источника постоянного тока конденсатор выглядит как разомкнутая цепь, и поэтому ни он, ни закороченный источник сигнала переменного тока не будут иметь никакого влияния на работу делителя напряжения R2//R3:
Рис. 16. Конденсатор выглядит как разомкнутая цепь (как при анализе постоянного тока).
Совместив эти два отдельных анализа на рисунке 17 ниже, получаем суперпозицию (ну, почти) 1,5 В переменного тока и 2,3 В постоянного тока, готовую к подключению к базе транзистора.
Рис. 17. Комбинированная цепь переменного и постоянного тока.
Хватит болтать – настал час произвести SPICE-симуляцию всей схемы усилителя. Мы будем использовать конденсатор ёмкостью 100 мкФ для получения произвольно низкого (0,796 Ом) импеданса при 2000 Гц:
Обратите внимание на существенное искажение формы выходного сигнала на рисунке 18 выше. Синусоидальная волна ограничивается в течение большей части отрицательного полупериода входного сигнала. Это говорит нам, что транзистор входит в режим отсечки, хотя этого не должно быть (я предполагаю, что цели использования класса A, как описано в начале этой лекции, остались те же). Почему так происходит? Этот новый метод смещения должен давать нам точно такое же напряжение смещения постоянного тока, как и раньше, ведь так?
Когда конденсатор и связка резисторов R2//R3 не нагружены, будет обеспечиваться смещение постоянного тока равное 2,3 В. Однако, как только мы подключим эту сеть к транзистору, она больше не будет разгружена. Ток, протекающий через базу транзистора, нагружает делитель напряжения, тем самым уменьшая напряжение смещения постоянного тока, доступное для транзистора. Используя модель транзистора с диодным источником тока, проблема смещения становится очевидной:
Рис. 19. Модель диодного транзистора показывает нагрузку делителя напряжения.
Выход делителя напряжения зависит не только от размера составляющих его резисторов, но и от того, какой ток отводится от него через нагрузку. P-N-переход база/эмиттер транзистора представляет собой нагрузку, которая снижает напряжение постоянного тока, падающее на R3, из-за того, что и ток смещения, и ток на R3 проходят через резистор R2, нарушая коэффициент делителя, ранее установленный значениями сопротивления R2 и R3. Для получения напряжения смещения постоянного тока 2,3 В значения R2 и/или R3 должны быть скорректированы, чтобы компенсировать влияние нагрузки по току базы. Чтобы увеличить падение постоянного напряжения на R3, уменьшите значение R2 или увеличьте значение R3 (или же выполните одновременно и то, и другое).
Рис. 20. После регулировки R2 и R3 искажения на выходном сигнале отсутствуют.
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 decreased to 6 k r3 5 0 4k <--- R3 increased to 4 k 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 значения резисторов 6 кОм и 4 кОм (R2 и R3 соответственно) приводят к воспроизведению формы сигнала класса A именно так, как мы хотели – это видно на графике на рисунке 20.
Итог
Усилители класса A настроены на активный режим работы на протяжении всего цикла, таким образом на выходе точно воспроизводя всю форму входного сигнала.
Усилители класса B смещены таким образом, что воспроизводится только половина формы входного сигнала: либо положительная, либо отрицательная половина. Половину времени транзистор находится в активном режиме и половину времени в состоянии отсечки. Дополнительные пары транзисторов, работающие в режиме работы класса B, часто используются для обеспечения усиления высокой мощности в системах аудиосигнала, причём каждый транзистор пары обрабатывает свою половину цикла сигнала. Класс B обеспечивает лучшую энергоэффективность, чем класс A с аналогичной выходной мощностью.
Усилители класса AB имеют смещение где-то между смещениями класса A и класса B.
Усилители класса C предназначены для усиления лишь небольшой части сигнала. Бо́льшую часть времени транзистор находится в режиме отсечки. Чтобы на выходе была полная форма волны, резонансный колебательный контур часто используется в качестве «маховика» для поддержания колебаний в течение нескольких циклов после каждого «толчка» от усилителя. Поскольку транзистор бо́льшую часть времени не проводит ток, КПД усилителя класса C достаточно высокий.
Усилители класса D требует усовершенствованной схемы и работает по принципу преобразования мгновенной амплитуды входного сигнала в рабочий цикл высокочастотной прямоугольной волны. Транзисторы этого класса, выдающие выходной сигнал, никогда не работают в активном режиме, они находятся или в состоянии отсечки, или в состоянии насыщения. Небольшая рассеиваемая тепловая энергия повышает энергоэффективность.
Напряжение смещения постоянного тока на входном сигнале, необходимое для определённых классов (особенно для A и C), может быть получено за счёт использования делителя напряжения и разделительного конденсатора, а не батареи, подключённой последовательно к источнику сигнала переменного тока.
