Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим стоком

Помимо усилительных каскадов с общим истоком в устройствах промышленной электроники применяют усилительные каскады с общим стоком (рис. 10.43).

Рис. 10.43. Схема усилительного каскада с общим стоком.

В этом каскаде выходное напряжение и_вых снимается с резистора Я_и, включенного в цепь истока, а сток по переменным составляющим тока и напряжения соединен с общей точкой усилителя. Выходное напряжение п_вых, равное переменной составляющей падения напряжения на резисторе Я_и, снимается через конденсатор связи С2. Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим стоком аналогичен по своим свойствам эмиттерному повторителю на биполярном транзисторе. Он обладает очень большими входным сопротивлением и коэффициентом усиления по току и малым выходным сопротивлением. Его коэффициент передачи напряжения близок к единице, фаза выходного напряжения н_вых практически равна фазе входного напряжения п_вх. Усилительный каскад с общим стоком часто называют истоковым повторителем.

Истоковые повторители, так же как и эмиттерные повторители, чаще всего применяют в качестве вспомогательных усилительных каскадов для согласования высокоомных источников усиливаемого напряжения с низкоомными нагрузочными устройствами.

Усилительный каскад с общим затвором практически не применяется, поэтому рассматривать его нецелесообразно.

Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки на характеристиках транзисторов в режиме покоя, а также от величины усиливаемого напряжения, различают пять основных режимов работы усилительных каскадов или классов усиления: А, В, АВ, С и D. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД. Режимы работы рассмотрим на примере усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером (рис. 10.38).

Режим А. Режим, А характеризуется тем, что рабочая точка О в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) входной и переходной характеристик транзистора. На рис. 10.44 для режима А показано положение рабочей точки на входной и переходной характеристиках, а также на линии нагрузки и выходных характеристиках транзистора. Значение входного напряжение в режиме А должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т. е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широко применяется в усилителях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток — очень низкий КПД усилителя — до 20%.

Рис. 10.44. Графики работы усилительного каскада в режиме А:

1 — линия нагрузки; 2 — кривая максимальной мощности Коэффициент полезного действия усилителя определяется отношением выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от источника питания. Выходная мощность, отдаваемая усилительным каскадом на транзисторе в режиме А, равна:

где U_K3m, 1_Кт — соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Потребляемая усилителем энергия частично преобразуется в энергию выходного сигнала, а частично рассеивается в виде тепла, выделяемого в элементах усилителя. Мощность, потребляемая усилителем, определяется по формуле.

где U_K30, 1_К0 — соответственно постоянные составляющие коллекторных напряжения и тока в точке покоя О.

Таким образом, КПД усилительного каскада равен:

Режим В. Режим В характеризуется тем, что точка покоя О' выбирается в начале переходной характеристики на оси коллекторного тока /_к при /_Б, равном нулю (рис. 10.45). Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напряжения транзистора возникают только в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение при синусоидальном входном имеет форму полусинусоиды, т. е. нелинейные искажения очень большие. Режим В используется, как правило, только в двухтактных усилителях мощности.

Режим В характеризуется значительно более высоким КПД усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю. КПД усилителя, работающего в режиме В, составляет приблизительно 65%.

Режим АВ. На практике часто используется режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами, А и В. Его называют режимом АВ. Точка покоя при этом располагается в интервале между положениями точки покоя в режимах, А и В. В этом случае КПД усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

Режим АВ характеризуется тем, что положение рабочей точки покоя О выбирается между точками покоя режимов, А и В (рис. 10.46). Однако преобладающим является все-таки режим А. Незначительное снижение КПД усилителя (примерно 50%) в режиме АВ компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений при усилении одного из полупериодов входного сигнала.

Рис. 10.45. Графики работы усилительного каскада в режиме В.

Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочая точка покоя О выбирается за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рис. 10.47). Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД усилителя может быть очень высоким — около 85%. Этот режим непригоден для использования в качестве аудиоусилителя мощности, но часто применяется в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых узлов выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие больших нелинейных искажений.

Режим D (ключевой режим). В режиме D входной сигнал выходит за пределы линейного рабочего участка передаточной характеристики. Этот режим характеризуется тем, что транзистор находится только в двух состояниях: или полностью закрыт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). При этом форма передаваемого сигнала сильно искажается, так как ограничивается его амплитуда. Режим D широко используется в импульсной технике при передаче импульсов прямоугольной формы, где ограничение амплитуды несущественно, а также в усилителях с широтно-импульсной модуляцией. Значения КПД для этого класса составляют около 90%, так как рабочая точка транзистора очень короткое время находится на линейном участке характеристики, потери в закрытом или полностью открытом состоянии минимальны, а ток через транзисторы при отсутствии сигнала равен нулю.

Рис. 10.46. Графики работы усилительного каскада в режиме АВ.

Рис. 10.47. Графики работы усилительного каскада в режиме С.

Таким образом, выбор режима усиления определяется назначением усилительного каскада и определяет не только форму передаваемого сигнала, но и мощность потерь или его КПД.