Что такое рабочая точка усилителя
Понятие рабочей точки (РТ)
Анализ работы любого усилительного устройства удобно начинать с изучения его вольт-амперных характеристик. Основной характеристикой, используемой при таком анализе, является выходная характеристика, представляющая собой зависимость выходного тока от выходного напряжения:
Рис. 3.1. Семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ
На рис. 3.1 приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. В них в качестве выходного тока выступает ток коллектора \(I_К\), а в качестве выходного напряжения — напряжение между коллектором и эмиттером \(U_<КЭ>\). Заметим, что приблизительно так же будут выглядеть и выходные характеристики при включении с ОБ и ОК (рис. 3.12,б), а также выходные характеристики схем с полевыми транзисторами. Разница будет лишь в названиях электродов транзистора, выступающих в качестве выходных.
Очевидно, что при работе усилительного прибора величины входного напряжения и тока не остаются неизменными, а претерпевают некоторые колебания по закону изменения усиливаемого сигнала в определенном, задаваемом внешними цепями, диапазоне значений. При этом в каждый момент времени на семействе выходных характеристик можно указать единственную точку, соответствующую текущему состоянию усилительного прибора.
Если рассмотреть и другие характеристики усилителя (характеристики управления, входные характеристики, характеристики передачи), то окажется, что и на них эта точка всегда однозначно определена, если известны токи и напряжения на входных и выходных электродах.
Точка на плоскости выходных (или других) характеристик усилительного прибора, связывающая текущие значения напряжений и токов в нем, называется рабочей точкой. Заметим, что даже при отсутствии входного полезного сигнала усилительный каскад продолжает находиться в некотором вполне конкретном состоянии, которому соответствует некоторая вполне конкретная рабочая точка, ее обычно называют исходной рабочей точкой или рабочей точкой по постоянному току, если речь идет о транзисторном усилителе, предназначенном для усиления малых по амплитуде переменных токов и напряжений.
В дальнейшем все постоянные составляющие токов и напряжений на электродах усилительного прибора будем отмечать дополнительным индексом «0», а их переменные составляющие — дополнительным индексом «
» в соответствии с описанными в разделе 2.3 правилами. Т.е., например, значение коллекторного тока транзистора, соответствующее исходной рабочей точке (рабочей точке по постоянному току), будет обозначаться \(I_<К_0>\), при этом полный ток коллектора в каждый момент времени будет равен \(I_К = I_ <К_0>+ I_<К_<\sim>>\), где в случае гармонического входного воздействия \(I_<К_<\sim>> = I_<К_m>\sin\left(<\omega t + \varphi>\right)\).
Взаимосвязь изменений выходного тока и напряжения и изменений входного сигнала должна быть не только причинно-следственной, но и по возможности линейной. Только при линейной (пропорциональной) функциональной зависимости возможно неискаженное воспроизведение усиливаемого сигнала на выходе каскада при работе на линейную резистивную нагрузку. Косвенным признаком возможности неискажающей работы усилительного прибора является эквидистантность (равномерная плотность) графиков выходных характеристик, представленных на рис. 3.1. Очевидно, что условие эквидистантности выполняется лишь в ограниченной области значений токов и напряжений. Область выходных характеристик усилительного прибора, где указанное условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется усилительной областью (областью линейного усиления). На выходных характеристиках биполярных транзисторов (рис. 3.1) эта область ограничивается с одной стороны так называемой линией насыщения (переход за эту линию означает переход транзистора в режим насыщения), а с другой — линией отсечки (переход в режим отсечки). При выходе рабочей точки транзистора за указанные пределы не только нарушается пропорциональная зависимость изменений выходного сигнала от изменений входного сигнала, но вообще прекращается управляющее воздействие входного сигнала на выходной ток и напряжение, т.е. транзистор полностью теряет усилительную функцию. Считается, что транзистор работает в усилительном режиме (класс усиления А), если в процессе усиления рабочая точка не соприкасается с линиями насыщения и отсечки.
Напряжения и токи, а также внешние по отношению к усилительному прибору электрические цепи, обеспечивающие заданное положение рабочей точки по постоянному току, называются соответственно напряжениями, токами и цепями смещения. Напряжения и токи смещения также часто называют начальными.
Как работает усилитель на транзисторе
Разбор схемы
Это моно-усилитель мощности звуковой частоты. 
Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).
В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.
Данная схема имеет один каскад усиления.
Что такое каскад
Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.
Как питаемся схема
От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества. 
На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.
Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.
И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.
Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.
Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.
Вход усилителя
Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2. 
Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.
Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.
Фильтрация входного сигнала
Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной. 
По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.
Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.
Рабочая точка и смещение базы
Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть. 
Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.
Как определяется класс усилителя
Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.
Например, точка по центру это А класс.
А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.
Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.
Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.
Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.
Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.
А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.
Стабилизация работы схемы
Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.
При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.
Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления. 
Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.
Благодаря этому транзистор:
Это называется термостабилизация работы усилителя.
А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь. 
Выход усилителя
На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.
Однако и тут есть много нюансов.
Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.
Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм. 
Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.
Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.
Как протекает ток по схеме
В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения. 
Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.
Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.
Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.
Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.
В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.
От чего зависит мощность схемы
У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.
В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.
У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.
Как собрать схему
Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы. 
Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.
Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.
Как проверить работу схемы
Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.
Усилитель на биполярном транзисторе
Сразу определимся, что обозначает термин «усилитель». Вот как это трактует Wikipedia: «Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным».
В нашем случае речь идет о том, что транзистор будет усилителем тогда, когда мощность сигнала, полученная на его выходе, больше мощности сигнала, поданной на его вход и при этом вид сигнала остается прежним.
При помощи транзисторов можно конструировать различные виды усилителей, но на практике наиболее чаще применяют линейные усилители, или усилители класса А. В них переменный выходной сигнал многократно увеличенный по мощности должен иметь ту же форму, что и входной, т.е. существует линейная зависимость.
Обычно в исcледовательских работах на вход усилителя на биполярном транзисторе подают синусоидальные колебания. Но звуковой (акустический) сигнал речи, музыки имеет более сложную форму в отличии от синусоидального. Можно ли простым синусоидальным сигналом протестировать реальный звуковой сигнал?
Можно, потому что самый сложный звуковой сигнал, согласно теореме Фурье, состоит из суммы большого числа других синусоидальных колебаний, представляющих собой частотный спектр. Если за основную частоту взять сигнал с частотой равной f1=440Гц, то в акустическом сигнале будут присутствовать, так называемые, вторая гармоника 2f1 с частотой вдвое большей основной частоты равной 2f1=880Гц, третья гармоника которая больше втрое больше основной частоты и равна 3f1=1320ГЦ и т.д. А тональность звука будет зависеть не только от частоты гармоник, а еще и от величин амплитуд отдельных гармоник.
Теоретически число гармоник может быть бесконечно велико, но практика показывает, что с увеличением порядкового номера гармоник их амплитуда уменьшается. Поэтому достаточно учесть только первые 5-7 гармоник, а остальными можно пренебречь из-за их незначительных амплитуд.
Так что, если усилитель хорошо усиливает несколько определенных частот спектра (включая самую низкую и самую высокую), то, очевидно, он хорошо усиливает и самое сложное колебание.
Рабочая точка транзистора
Выбор рабочей точки транзистора находится в тесной зависимости от амплитуды усиливаемого сигнала.
Например, рабочая точка А ( рис.14 ) выбрана правильно для малого сигнала.
Рабочая точка Б подходит для большого сигнала, а для малого сигнала этот режим не экономичен, т.к. транзистор из-за повышенного базового тока покоя и, соответственно повышенного начального коллекторного тока, будет потреблять больше энергии источника тока.
Транзистор может использоваться не только как линейный усилитель, но и в качестве нелинейного усилителя у которого выходной сигнал отличается от входного.
Поэтому различают несколько классов усиления. Практически этого добиваются путем выбора рабочей точки.
Рабочая точка
На следующем графике показано, как представить рабочую точку.
Верное Усиление
Достоверное усиление — это процесс получения полных порций входного сигнала за счет увеличения уровня сигнала. Это делается, когда на его вход подается сигнал переменного тока.
Рабочая точка выбрана таким образом, чтобы она находилась в активной области и помогала воспроизводить полный сигнал без потерь.
Если рабочая точка считается вблизи точки насыщения, то усиление будет таким же, как при.
Если рабочая точка считается близкой к точке среза, то усиление будет таким же, как при.
Следовательно, расположение рабочей точки является важным фактором для достижения точного усиления. Но для того, чтобы транзистор функционировал должным образом в качестве усилителя, его входная схема (т. Е. Соединение база-эмиттер) остается смещенной в прямом направлении, а его выходная цепь (т.е. соединение коллектор-база) остается смещенной в обратном направлении.
Таким образом, усиленный сигнал содержит ту же информацию, что и во входном сигнале, тогда как мощность сигнала увеличивается.
Ключевые факторы для верного усиления
Чтобы обеспечить точное усиление, должны быть выполнены следующие основные условия.
Выполнение этих условий гарантирует, что транзистор работает над активной областью, имеющей прямое смещение входа и обратное смещение выхода.
Собственный ток коллектора нулевого сигнала
Чтобы понять это, давайте рассмотрим схему NPN-транзистора, как показано на рисунке ниже. Соединение база-эмиттер смещено вперед, а соединение коллектор-эмиттер смещено обратно. Когда сигнал подается на вход, переход база-эмиттер NPN-транзистора смещается вперед для положительного полупериода входа и, следовательно, он появляется на выходе.
Для отрицательного полупериода тот же самый переход становится обратным смещением, и, следовательно, цепь не проводит. Это приводит к неверному усилению, как показано на рисунке ниже.
Следовательно, для точного усиления должен протекать ток коллектора нулевого сигнала. Значение нулевого тока коллектора сигнала должно быть, по крайней мере, равно максимальному току коллектора только из-за сигнала.
Правильный минимум V BE в любой момент
Минимальное напряжение базы-эмиттера V BE должно быть больше, чем напряжение включения для прямого смещения соединения. Минимальное напряжение, необходимое для проводимости кремниевого транзистора, составляет 0,7 В, а для германиевого транзистора — 0,5 В. Если напряжение V BE базового эмиттера больше этого напряжения, потенциальный барьер преодолевается, и, следовательно, ток базы и токи коллектора резко возрастают.
Следовательно, если V BE падает для любой части входного сигнала, эта часть будет усилена в меньшей степени из-за результирующего малого тока коллектора, что приводит к неверному усилению.
Правильный минимум V CE в любой момент
Следовательно, если значение V CE падает для какой-либо части входного сигнала, эта часть будет умножена в меньшей степени, что приведет к неверному усилению. Таким образом, если V CE больше, чем V KNEE, соединение коллектор-база правильно смещено обратно, и значение β остается постоянным, что приводит к точному усилению.
Режимы работы усилителей (классификация усилителей)
Современная классификация режимов работы усилителей достаточно запутана. Традиционно классы усилителей различались по положению рабочей точки на статических характеристиках усилительного прибора. Позднее добавили классификацию усилителей по режиму работы: ключевой и токовый режимы работы. Наиболее распространенная классификация усилителей приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Классификация усилителей
Режим работы усилителя определяется положением рабочей точки на характеристике прямой передачи по току усилительного прибора, такого как биполярный или полевой транзистор, электронная лампа. Достаточно часто режим работы усилителя называется классом работы. Выбор рабочей точки может значительно влиять на основные характеристики усилителя, такие как коэффициент усиления, нелинейные искажения и к.п.д.
При определении класса усилителя пользуются идеализированной статической характеристикой усилительного прибора. При этом реальная проходная характеристика заменяется кусочно-линейной аппроксимацией, как это показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Идеализированная статическая характеристика усилительного прибора
В зависимости от положения рабочей точки на характеристике прямой передачи усилительного прибора и формирования тока коллектора (анода, стока) различают следующие виды аналоговых (токовых) режимов:
Особенности усиления сигнала в усилителях этих классов иллюстрируются рисунком 2.3. На этом рисунке приведены временные диаграммы выходного тока транзистора в зависимости от положения рабочей точки при поступлении на вход синусоидального сигнала. Как видно из этих временных диаграмм, усилители классов B и C обладают значительной нелинейностью и для ее устранения приходится применять специальные меры, такие как фильтрация выходного сигнала или применение двухтактных схем.
Рисунок 3. Положение рабочей точки в усилителях класса A, B и C
Работа усилителя в ключевом режиме значительно отличается при усилении низкочастотного сигнала и высокочастотного узкополосного сигнала. В отечественной литературе эти режимы не различаются. Просто в литературе, ориентированной на низкочастотную усилительную технику и в литературе, ориентированной на радиочастотное применение ключевой режим описывается по разному. В зарубежных изданиях в зависимости от частоты усиливаемого сигнала различают следующие виды ключевых режимов:
При работе с высокочастотными узкополосными сигналами можно реализовать более высокий к.п.д. по сравнению с классическим режимом работы усилителя класса B. Это достигается подчеркиванием высокочастотных гармоник на коллекторе или стоке транзистора. Этот метод хорошо описан в отечественной литературе, однако в зарубежной литературе он получил название класс F.
Следует отметить, что усилители классов C, E, F предназначены для усиления узкополосных высокочастотных сигналов с высоким к.п.д. Усилители классов A, B, D используются для усиления низкочастотных широкополосных сигналов, таких как звуковые сигналы, телевизионные или цифровые сигналы в BaseBand диапазоне. При этом класс B может быть использован только в двухтактных каскадах. Усилители класса A могут использоваться и для усиления высокочастотных сигналов если более важным параметром усилителя является его линейность и коэффициент шума. Усилители класса B тоже могут использоваться для усиления высокочастотных сигналов.
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Режимы работы усилителей» читают: