Дать определение режима работы d транзисторного каскада: Режим работы транзистора в схеме усилительного каскада

Режим работы транзистора в схеме усилительного каскада

Главная » Транзисторы

 

Режим работы транзистора в схеме усилительного каскада

Различают пять основных режимов работы транзистора: A, B, AB, C, D.  В зависимости от величин постоянной составляющей входного тока ( от положения рабочей точки покоя О) транзистор может работать без отсечки и с отсечкой тока.

Рисунок -Положение рабочей точки при различных режимах работы усилителя  При отсечке, ток коллектора протекает только в течение части периода входного сигнала.

 Режим класса А. Ток выходной цепи существует в течение всего периода сигнала.

• Достоинства: Малые нелинейные искажения, поскольку входной сигнал присутствует на линейном участке сквозной (входной)    Возможность применения  как однотактных, так и в двухтактных каскадах усиления сигналов любой формы.
• Недостатки: Низкий КПД из-за большого среднего тока , как при наличии, так и при отсутствии сигнала.

Режим А чаще всего используется в каскадах предварительного усиления. 

 Режим класса B. Ток выходной цепи существует в течение половины периода входного сигнала.

• Достоинства: Высокий КПД. Высокое использование Т по току и напряжению.
• Недостатки: Высокий коэффициент гармоник.

   

Режим В чаще используется в УМ, построенных по двухтактной схеме. 

Режим класса АB. В отличие от режима B рабочая точка находится в начале нелинейного участка сквозной (входной) характеристики.

 

В отличие от режима класса B в режиме класса AB уменьшается коэффициент гармоник.

 

 Режим класса С. Рабочая точка покоя располагается левее точки пересечения сквозной (входной) характеристики с осью абсцисс. Используется в резонансных усилителях, в умножителях частоты, а также для усиления одномерных импульсных сигналов. Ток выходной цепи отсутствует при отрицательной полуволне входного сигнала  и при его малых уровнях.

Применение двухтактной схемы не позволяет получить выходной сигнал той же формы, что и выходной.

 

 

 Режим класса Д (или ключевой режим). В этом режиме усилительный элемент находится в одном из двух состояний: или полностью открыт, или полностью заперт. Потери энергии при этом минимальны, КПД100%, по пропорциональности между входящими и выходящими сигналами нет.

Перевод транзисторов с класса «А» в класс «АВ» увеличивает коэффициент гармонических искажений в четыре раза, в результате коэффициент усиления (без ООС) возрастает на 10-15Дб, что уменьшает частоту среза на две октавы.
Режимы работы усилителя в классе «АВ» и «В» имеют общие недостатки — это переходные искажения первого порядка, которые имеют S — образную форму, на малом уровне сигнала. Чем ниже уровень сигнала, тем больше искажений. Такие усилители всегда хочется «врубить» по громче, чтобы как можно полнее (никогда не получится) почувствовать мощь и динамику музыкального произведения.

К тому же, режимы работы транзисторов в классе «АВ» и «В» выдают негативные искажения сигнала, которые простираются до 11 гармоники и вызывают феномен «транзисторного» звука

 Существует разновидность усилителей мощности класса «А» — класс «А+». При этом низковольтные транзисторы работают в «А», а высоковольтные управляются величиной входного сигнала (класс «В» или «АВ»). Фильтром искажений является источник питания класса «В» или «АВ». Степень искажений зависит от разницы напряжения питания высоковольтных и низковольтных транзисторов, и приблизительно составляет 0.003%. КПД таких усилителей значительно выше, чем в классе «А», но общие искажения имеют гармоники высоких порядков, что придаёт звуку «жесткость».

Усилители мощности класса «АА» имеют очень низкий уровень искажений около 0.0005%, но порядок гармоник также высок. Специальная мостовая схема связывает усилитель напряжения класса «А» с стабилизирующим усилителем тока.

 В результате длительных экспериментов некоторые эксперты пришли к мнению, что мощные спаренные транзисторы включённые однотактным повторителем мощности, максимально чётко контролируют любые АС (в акустически сложные помещениях) и обладают несущественными гармоническими искажениями сигнала низких порядков. Однако для высококачественного усиления напряжения (любые транзисторы, в любом режиме работы) непригодны, так как они имеют высокий спектр искажений гармонических составляющих, что окрашивает звук в металлический оттенок.

Классы усиления транзисторных усилительных каскадов

КПД усилителей, работающих в классе А

Новые режимы работы (классы) А+, Super A, New class A, MOS, class AA

Режимы работы биполярного транзистора

O сохранении качества сигнала при цифровой обработке

Классы AB и В работы двухтактного каскада

Методы задания начального режима работы транзистора

Рабочие режимы усилительных элементов

Режимы и классы работы выходных каскадов усилителей

Это нужно знать Весь перечень знаний находится на этой странице Описание существующих классов режимов работы каскадов предварительного усиления, а также выходных каскадов усилителей мощности. Работа любого усилительного элемента, будь то транзистор или лампа, определяется режимом их работы. Однако всегда следует понимать, что любой усилительный элемент может работать в линейном режиме усиления только на некотором участке передаточной характеристики (ВАХ). В зависимости от выбранного режима может возникнуть ситуация, когда при слишком низких уровнях подводимого сигнала транзистор или лампа ещё не могут усиливать (находятся в режиме отсечки, или, как говорят, ещё не открылись), а при слишком высоких входных уровнях входят в насыщение и перестают усиливать, работая в режиме ограничения. В схемотехнике существует несколько режимов работы усилительных элементов, отличающихся друг от друга свойствами, а соответственно, и имеющих различные области применения. В зависимости от положения рабочей точки на передаточной характеристике усилительного элемента, принято различать 4 режима работы каскада (или класса усиления): А, B, АВ и С. Это традиционные режимы, которые используются для аналогового усиления сигнала. Для цифрового же усиления усилительный элемент загоняется в ключевой режим, а такой класс усиления называется — классом D. На самом деле у различных производителей РЭА можно обнаружить и массу других букв, которыми если постараться, то можно практически полностью заполнить латинский букварь. Однако, как было справедливо отмечено в журнале «EDN Europe»: «Сочинение новых классов усилителей — не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компаниям больше вреда, чем пользы…». Основными характеристиками, на которые влияет выбор режима элемента усиления, являются — уровень нелинейных искажений и КПД каскада. Поговорим поподробней о каждом из режимов. 1. Режим класса А. Рис.1 На рисунке Рис. 1 красным цветом обозначена передаточная характеристика усилительного элемента (транзистора или лампы), представляющая собой зависимость выходного тока каскада от поступающего на вход напряжения. Синим — входное напряжение, чёрным — соответственно, выходной ток элемента. Режим А характеризуется тем, что рабочая точка ( р.т.) в режиме покоя выбирается на линейном участке (обычно посередине) передаточной характеристики, а любые допустимые значения входного сигнала (напряжения или тока) не вызывают изменения выходного тока. Каким следует выбрать ток покоя элемента для режима А? Как минимум не ниже пикового тока, отдаваемого каскадом в нагрузку! Теоретический КПД такого каскада при неискажённом усилении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %. На практике — около 40…45% для двухтактных каскадов и около 30% — для однотактных. Данный класс А является наиболее линейным режимом усиления и характеризуется минимальными значениями гармонических искажений, в связи с чем нашёл практически повсеместное применение в усилителях напряжения входных и промежуточных каскадов. В выходных каскадах усилителей мощности (в связи с низким КПД) применяется гораздо реже и в основном бывает замечен в аппаратуре класса High End. 2. Режим класса В. Рис.2 Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики усилительного элемента (Рис. 2), в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток, а соответственно и потребляемая каскадом мощность близки к нулю. В режиме B усилительный элемент способен воспринимать либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные – другим. В нагрузке усиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма. Режим B характеризуется гораздо более высоким значением КПД усилителя (по сравнению с режимом А), которое может достигать 80%. Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B как правило устанавливается небольшой, но не нулевой, ток покоя (10…30мА). Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный режим АВ. 3. Режим класса АВ. Рис.3 Отличительным свойством режим АВ является то, что его рабочая точка тока покоя занимает промежуточное положение на передаточной характеристике между началом координат и серединой линейного участка (Рис. 3). Ток покоя каскада в режиме AB на порядок выше (сотни мА), чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток покоя, необходимый для режима А. Поэтому данный режим работы усилителя характеризуется достаточно высокими значениями КПД (60…70%) при относительно небольших уровнях нелинейных искажениях формы выходного сигнала. Что, собственно говоря, и определило его повышенную популярность в двухтактных выходных каскадах усилителей мощности. 4. Режим класса С. Рис.4 В режиме класса C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана таким образом, что при нулевом напряжении на входе усилительный элемент наглухо заперт (Рис. 4). Если рассматривать каскады на биполярных транзисторах — то р.т. находится за точкой отсечки полупроводника, т.е. на 0,6…0,7В ниже начала области относительной линейности. Данный режим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к 100%. Хотя на практике реальные значения КПД составляют 80…90%. Из-за высоких уровней нелинейных искажений каскады, работающие, в режиме С, даже в двухтактном исполнении, редко используются для усиления широкополосных сигналов. А вот в резонансных усилителях радиопередающих устройств они, напротив, нашли широкое применение благодаря их высокому КПД. 4. Режим класса D. Режим D – это ключевой режим работы, при котором управляющий элемент (транзистор) может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Главным достоинством данного режима является очень высокое (близкое к 100%) значение КПД устройства. Используя усиление поступающих на вход прямоугольных импульсов изменяемой скважности (ШИМ-модуляция), такой режим широко используется во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления энергии он практически вытеснил все остальные классы усилителей. А после начала производства силовых МДП-транзисторов, стал возможен массовый выпуск УМЗЧ класса D с реальным значением КПД — 90…95%. Рис.5 На Рис.5 изображена распространённая структурная схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Работает это устройство следующим образом. Гармонические сигналы, прежде чем подаваться на вход усилительного каскада на силовых полевых транзисторах, преобразуются в прямоугольные импульсы, модулированные по ширине (скважности). После усиления модулированных импульсов, посредством LC фильтра осуществляется их обратное преобразование (демодуляция) в сигнал первоначальной гармонической формы. Выглядит это примерно так: Рис.6 Здесь импульсный сигнал, сформированный управляющей схемой методом сравнения амплитуд: задающего генератора сигнала треугольной формы и входного гармонического сигнала, используется для управления выходными силовыми транзисторами. Положительная полярность импульсов управляет верхним ключом (Рис.5), отрицательная — нижним. Поскольку подробная информация о типах, модификациях и принципах работы ключевых усилителей класса D довольно скудно представлена на полях сетевых знаний, то этому классу мы посвятим отдельную статью, где и возместим данную несправедливость. И сделаем мы это, не отходя от кассы, подробно и без матерных излишеств, но на следующей странице.

© 2017 Vpayaem. ru   All Rights Reserved

Силовые каскады — аудиоусилители

Аудиоусилители

Стадия мощности (стадия высокого уровня) была определена как стадия, в которой активный элемент (например, транзистор) работает на уровнях мощности, измеряемых сотнями милливатт или в ваттах. Хотя принципы, обсуждавшиеся в предыдущем разделе о низкоуровневых каскады (предусилители) еще применимы, конструкция каскада высокого уровня представит множество особых проблем. Здесь проводятся экскурсии напряжения смещения и токи могут приближаться к абсолютным пределам работы транзистор. Поэтому выбор рабочей точки и нагрузки приобретают первостепенное значение.

В большинстве аудиоусилителей работа на высоком уровне происходит только в выходной каскад или в тех каскадах, которые непосредственно ему предшествуют. Таким образом обсуждение стадии высокого уровня, по существу, относится к стадии вывода.

Выбор конфигурации транзистора и режима работы выходной каскад будет зависеть от многих факторов, некоторые из которых: (a) выходная мощность, (b) требования к мощности постоянного тока, (c) мощность усиление, (г) нелинейные искажения, (д) ​​АЧХ. Можно использовать режимы работы класса А и класса АВ.

Работа класса А

В режиме класса А транзистор работает в течение всего цикла, и форма выходного сигнала является разумной копией входного сигнала. Поэтому можно использовать один транзистор для каскада класса А.

Работу такой ступени легко визуализировать с помощью выходная характеристика интересующей конфигурации. На рисунке ниже показаны выходные характеристики транзистора в конфигурация с общим эмиттером. На этом на рисунке также показана кривая для максимально допустимого коллектора рассеивание для определенного метода охлаждения и определенной окружающей среды температура. Произведение напряжения и силы тока в каждой точке этого кривая равна максимальной диссипации. Рабочая точка должна лежать слева от кривой максимального рассеяния.

Выходные характеристики.

Первая проблема это подбор напряжения питания В _СС . Рассмотрим каскад с трансформаторной связью. Действие выходного трансформатора будет привести к тому, что пиковое напряжение переменного тока на нагрузке (первичная обмотка выходного трансформатора) будет таким же, как в два раза больше предложения

Максимальное номинальное напряжение коллектора ( В _CEmax ) транзистор должен быть выше В _пик на коэффициент безопасности, скажем 30 процентов

В _CC будет

Следующий шаг в расположении рабочей точки (или Q-точки). Пусть рабочая точка находится в точке ( V _CE ) _Q , ( I _C ) _Q . Первичное сопротивление выходного трансформатора можно пренебречь, поэтому напряжение питания также будет ( В _СЕ ) _В .

( I _С ) _В можно определить по мощности переменного тока выход (см. раздел Усилители)

В режиме класса А максимальное рассеивание коллектора ( P _dis ) происходит для состояния нулевого сигнала. Для этого условия

Питание от батареи постоянного тока P _DC есть

Это также мощность рассеяния транзистора в режиме ожидания ( P _dis ).

Значение сопротивления нагрузки переменного тока R _L получен из линия нагрузки переменного тока (см. рисунок выше) и

Пример :

Разработайте каскад с общим эмиттером со следующими характеристиками:

Выходная мощность: P _{нагрузка} = 3 Вт
КПД трансформатора: η = 0,75
Напряжение питания: В _CC = 28 В

Для выходной мощности 3 Вт каскад должен обеспечивать мощность P _AC = 3/0,75 = 4 Вт. к первичной обмотке трансформатора. Тогда рассеяние коллектора равно

Следовательно

Сопротивление нагрузки

Мы выбираем транзистор, способный рассеивать 8 Вт для данных окружающих условий и имеет допустимое напряжение коллектор-эмиттер в превышение 73 В ( В _CEmax = 2,6 × В _CC ).

Возможная конфигурация схемы показана на рисунке ниже. Для стабилизации можно использовать источник питания эмиттера 4,5 В и сопротивление R _E =( V _E — V _BE )/ I _E =(4,5-0,7)/0,286=13,3 Ом. Значение этого сопротивления может должны быть отрегулированы, чтобы получить требуемую рабочую точку.

Выходной каскад класса А.

Если нагрузкой будет 4-омный динамик, потребуется трансформатор. соедините звуковую катушку 4 Ом с транзистором. Коэффициент импеданса ( R _L / R _{динамик} ) должно быть 97,9:4≅24:1. Таким образом, трансформатор с коэффициентом трансформации примерно 5:1 (квадратный корень из коэффициента импеданса равен коэффициенту трансформации) подойдет.

Аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь ＜Что такое аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи?＞ | Основы электроники

Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи преобразуют цифровые сигналы в аналоговый формат.

Цифровые данные:

Равномерно расположенные дискретные значения

Временно дискретные, количественно дискретные

Аналоговые данные (природные явления):

Непрерывный диапазон значений

Непрерывный во времени, непрерывный в количественном отношении

Аналого-цифровые преобразователи

) явлений в цифровой формат

Преобразование включает ряд шагов, включая выборку, квантование и кодирование.

Требования к АЦП и ЦАП

Электрически сложная и высокоскоростная обработка выполняется в ЦП и ЦСП в цифровом виде.

Природные явления преобразуются в цифровые сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя для цифровой обработки сигналов, а затем преобразуются обратно в аналоговые сигналы с помощью цифро-аналогового преобразователя.

Достижения в технологии микрообработки → Оцифровка обработки сигналов
→ Требуются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Применение аналого-цифровых преобразователей

Цифровое аудио:

Цифровые звуковые рабочие станции, звукозапись, импульсно-кодовая модуляция

Цифровые обработка сигнала:

Платы ТВ-тюнера, микроконтроллеры, цифровые запоминающие осциллографы

Научные инструменты:

Цифровые системы обработки изображений, радиолокационные системы, датчики температуры

Применение цифро-аналоговых преобразователей

Цифровое аудио：

CD-, MD-bit, MD Аудио

Цифровое видео：

DVD, цифровой фотоаппарат

Коммуникационное оборудование：

Смартфоны, факсы, оборудование ADSl

ПК：

Аудио, видеокарты

Измерительные приборы：

Программируемые источники питания и т. д.

Основные операции цифро-аналогового преобразователя

Цифро-аналоговый преобразователь принимает точное число (чаще всего двоичное число с фиксированной точкой) и преобразует его в физическое количество (пример: напряжение или давление). Цифро-аналоговые преобразователи часто используются для преобразования данных временных рядов с конечной точностью в постоянно меняющийся физический сигнал.

Идеальный цифро-аналоговый преобразователь берет абстрактные числа из последовательности импульсов, которые затем обрабатываются с использованием формы интерполяции для заполнения данных между импульсами. Обычный цифро-аналоговый преобразователь помещает числа в кусочно-постоянную функцию, состоящую из последовательности прямоугольных функций, которые моделируются с сохранением нулевого порядка.

Цифро-аналоговый преобразователь восстанавливает исходные сигналы таким образом, чтобы его полоса пропускания соответствовала определенным требованиям. При цифровой выборке возникают ошибки квантования, которые создают низкоуровневый шум, который добавляется к реконструированному сигналу. Минимальная амплитуда аналогового сигнала, которая может вызвать изменение цифрового сигнала, называется наименьшим значащим битом (LSB), а ошибка (округления), возникающая между аналоговым и цифровым сигналами, называется ошибкой квантования.

Основные операции аналого-цифрового преобразователя

Теперь давайте рассмотрим основные операции аналого-цифрового преобразователя.

Аналого-цифровой преобразователь разбивает (сэмплирует) амплитуду аналогового сигнала на дискретные интервалы, которые затем преобразуются в цифровые значения. Разрешение аналого-цифрового преобразователя (указывающее количество дискретных значений, которые он может произвести в диапазоне аналоговых значений) обычно выражается количеством битов. В приведенном выше случае 3-битного аналого-цифрового преобразователя верхнее значение (b2) называется старшим значащим битом (MSB), а наименьшее значение (b0) — младшим значащим битом (LSB).

На приведенном ниже графике показано соотношение между аналоговым входом и цифровым выходом.

Кроме того, первая цифровая точка изменения (000→001) ниже 0,5LSB является нулевой шкалой, тогда как последняя цифровая точка изменения (110→111) называется полной шкалой, а интервал от нуля до полной шкалы называется нулевой шкалой. полный диапазон шкалы.

Методы преобразования аналогового сигнала в цифровой

Дискретизация:

Дискретизация — это процесс получения значений амплитуд непрерывного аналогового сигнала через дискретные интервалы времени (период дискретизации Ts).
[Период выборки Ts = 1/Fs (частота выборки)]
Выборка выполняется с использованием схемы выборки и удержания (S&H).

Квантование:

Квантование включает присвоение числового значения каждому выбранному значению амплитуды из диапазона возможных значений, охватывающих весь диапазон амплитуд (на основе количества битов).
[Ошибка квантования: значение выборки — значение квантования]

Кодирование:

После квантования значений амплитуды они кодируются в двоичном формате с помощью кодировщика.