Особенности усилительных каскадов на полевых транзисторах

П

Различают каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ), общим затвором (ОЗ). Чаще всего

применяются каскады с ОИ (рисунок 23). Особенностью и преимуществом каскадов на ПТ является то что R_вых ≈ R_С = 103 –

104 Ом, а R_вх = R_З ≈ 105 –106 кОм, т. е. R_{вых ≪} R_вх.

ринцип построения УК на полевых транзисторах (ПТ) тот же, что и на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что ПТ управляется по входной цепи напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на ПТ осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности.

R_С

+E_С

C_P2

C_P1

R_З

R_И

C_И

U_вх

U_вых

Рисунок 23 – Усилительный каскад

на ПТ с общим истоком

Усилители мощности

В промышленной электронике очень часто возникает необходимость получения в нагрузочном устройстве максимальной мощности (P_max) усиленного сигнала. Усилительные каскады, обеспечивающие выполнение этого условия, называют усилителями мощности.

Обычно усилителями мощности (УМ) являются выходные (или оконечные) каскады многокаскадного усилителя.

Классификация усилителей мощности

• По элементной базе:

- УМ на биполярных транзисторах, включенных по схеме ОЭ, ОК, ОБ;

- УМ на полевых транзисторах, включенных по схеме ОИ, ОС (схема с ОЗ не используется из-за низкого R_вых).

• По используемому классу усиления:

- однотактные (используют режим А);

- двухтактные (используют режим В или АВ).

• По способу подключения нагрузки:

- трансформаторные;

- бестрансформаторные:

- с двумя источниками питания;

- с одним источником питания.

Основные параметры, характеризующие работу УМ:

• К_Р;

• R_вых, R_вых = R_н для получения максимальной мощности в нагрузочном устройстве;

• КПД, который зависит от класса усиления.

В режиме А усиление небольшое: КПД = 0,35, но малые нелинейные

искажения; в режиме В КПД достигает 0,8, но наблюдаются большие нелинейные искажения.

Расчет основных величин, характеризующих показатели работы УМ, проводят обычно графоаналитическим методом с помощью характеристик транзистора. В УМ нашли применение три класса усиления А, АВ, В, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки. Рассмотрим их на примере коллекторных характеристик транзистора с ОЭ (рисунок 24).

I_К

U_К

П_а

П_в

Рисунок 24 – Параметры усилителя мощности

В режиме класса А точка покоя П_а будет находиться на нагрузочной прямой (U_К = E_К; I_К = E_К / R_К; U_К = 0) и соответствовать середине линейного участка переходной характеристики, где можно получить оптимальные значения тока базы и напряжение между базой и эмиттером.

Режим класса А используется в однотактных каскадах усиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшее искажение выходного сигнала, но обладают минимальным КПД.

В режиме класса В точка покоя П_в располагается в крайней правой части линии нагрузки при U_Б-Э = 0. При наличии входного сигнала ток I_К транзистора протекает только в положительный полупериод. Так как в усилителях мощности чаще всего используют УК с общим эмиттером, то используем семейство коллекторных характеристик, на которые нанесем линии, соответствующие предельным режимам работы, которые, в свою очередь, определяются предельными эксплуатационными величинами (рисунок 25):

Р_max = ; ; .

I_К

U_К

M

N

Q

Рисунок 25 – Предельные режимы работы усилителя мощности

При этом линия представляет собой гиперболу, а линии

и – прямые линии, параллельные осям координат. Три эти линии или три величины определяют границу надежной работы прибора. Если провести линию нагрузки MN, то площадь треугольника MQN, образованного этой линией нагрузки и линиями, параллельными осям координат и проведенными из точек M и N, будет пропорциональна P_max, которую можно получить от транзистора в заданных условиях.

Коэффициент усиления по мощности

К_Р = Р_К / Р_Б,

где Р_Б – мощность цепи базы, Р_Б = 0,5 ,

здесь находятся по входной характеристике;

Р_К = 0,5 .

Если в результате расчета окажется, что получаемая в нагрузочном резисторе мощность меньше требуемой, то необходимо использовать более мощный транзистор.