Biasing-Techniken (BJT)

Im Abschnitt über gemeinsame Emitter dieses Kapitels sahen wir eine SPICE-Analyse, bei der die Ausgangswellenform einer gleichgerichteten Einwegform ähnelte:nur die Hälfte der Eingangswellenform wurde reproduziert, während die andere Hälfte vollständig abgeschnitten wurde. Da unser damaliger Zweck darin bestand, die gesamte Wellenform zu reproduzieren, stellte dies ein Problem dar. Die Lösung für dieses Problem bestand darin, dem Verstärkereingang eine kleine Vorspannung hinzuzufügen, damit der Transistor während des gesamten Wellenzyklus im aktiven Modus blieb. Dieser Zusatz wurde als Vorspannung bezeichnet .

Ein Halbwellenausgang ist für einige Anwendungen unproblematisch. Einige Anwendungen können erfordern genau diese Art der Verstärkung, da es möglich ist, einen Verstärker in anderen Modi als der Vollwellenwiedergabe zu betreiben und bestimmte Anwendungen unterschiedliche Wiedergabebereiche erfordern nach Klasse . Der Betrieb der Verstärkerklasse wird mit alphabetischen Buchstaben kategorisiert:A, B, C und AB.

Für Klasse A Betrieb wird die gesamte Eingangswellenform originalgetreu reproduziert.

Verstärkerklasse

Klasse A

Der Betrieb kann nur erreicht werden, wenn der Transistor seine gesamte Zeit im aktiven Modus verbringt und weder Cutoff noch Sättigung erreicht. Um dies zu erreichen, wird normalerweise eine ausreichende DC-Vorspannung auf den Pegel eingestellt, der erforderlich ist, um den Transistor genau auf halbem Weg zwischen Abschalten und Sättigung zu treiben. Auf diese Weise wird das AC-Eingangssignal perfekt zwischen den oberen und unteren Signalgrenzpegeln des Verstärkers „zentriert“.

Klasse A:Der Verstärkerausgang ist eine originalgetreue Reproduktion des Eingangs.

Klasse B

Der Betrieb ist das, was wir zum ersten Mal hatten, als ein AC-Signal an den Common-Emitter-Verstärker ohne DC-Vorspannung angelegt wurde. Der Transistor verbrachte die Hälfte seiner Zeit im aktiven Modus und die andere Hälfte im ausgeschalteten Zustand, wobei die Eingangsspannung zu niedrig (oder sogar mit falscher Polarität!)

Klasse B:Bias ist so, dass die Hälfte (180°) der Wellenform reproduziert wird.

Ein Verstärker, der im Klasse-B-Modus arbeitet, allein ist nicht sehr nützlich. In den meisten Fällen wäre die starke Verzerrung, die durch Eliminieren der Hälfte der Wellenform in die Wellenform eingeführt wird, inakzeptabel. Der Klasse-B-Betrieb ist jedoch eine sinnvolle Vorspannungsmethode, wenn zwei Verstärker als Gegentakt betrieben werden Paar, wobei jeder Verstärker jeweils nur die Hälfte der Wellenform verarbeitet:

Gegentaktverstärker der Klasse B:Jeder Transistor reproduziert die Hälfte der Wellenform. Das Kombinieren der Hälften erzeugt eine originalgetreue Reproduktion der gesamten Welle.

Der Transistor Q1 „drückt“ (treibt die Ausgangsspannung in eine positive Richtung in Bezug auf Masse), während der Transistor Q2 die Ausgangsspannung „zieht“ (in eine negative Richtung in Richtung 0 Volt in Bezug auf Masse). Jeder dieser Transistoren arbeitet einzeln im Klasse-B-Modus und ist nur für die Hälfte des Eingangswellenformzyklus aktiv. Zusammen jedoch arbeiten beide als Team, um eine Ausgangswellenform zu erzeugen, die in der Form der Eingangswellenform identisch ist.

Ein entscheidender Vorteil des Verstärkerdesigns der Klasse B (Push-Pull) gegenüber dem Design der Klasse A ist die größere Ausgangsleistung. Bei einem Class-A-Design leitet der Transistor beträchtliche Energie in Form von Wärme ab, da er ständig Strom leitet. An allen Punkten des Wellenzyklus befindet es sich im aktiven (leitenden) Modus, leitet beträchtlichen Strom und fällt eine beträchtliche Spannung ab. Während des gesamten Zyklus wird durch den Transistor eine beträchtliche Verlustleistung abgegeben. In einem Klasse-B-Design verbringt jeder Transistor die Hälfte der Zeit im Cutoff-Modus, wo er keine Leistung verbraucht (Nullstrom =Nullleistungsverlust). Dies gibt jedem Transistor eine Zeit zum "Ruhen" und zum Abkühlen, während der andere Transistor die Last der Last trägt. Klasse-A-Verstärker haben ein einfacheres Design, sind jedoch aus dem einfachen Grund der Transistor-Wärmeableitung auf Signalanwendungen mit geringer Leistung beschränkt.

Klasse AB

Eine andere Klasse von Verstärkerbetrieb, bekannt als Klasse AB liegt irgendwo zwischen Klasse A und Klasse B:Der Transistor verbringt mehr als 50 %, aber weniger als 100 % der Zeit, um Strom zu leiten.

Wenn die Eingangssignalvorspannung für einen Verstärker leicht negativ ist (entgegengesetzt der Vorspannungspolarität für Klasse-A-Betrieb), wird die Ausgangswellenform weiter „beschnitten“ als bei der Klasse-B-Vorspannung, was zu einem Betrieb führt, bei dem der Transistor die meiste Zeit verbringt die Zeit im Cutoff-Modus:

Klasse C

Klasse C:Die Leitung dauert weniger als eine halbe Periode (<180°).

Auf den ersten Blick mag dieses Schema völlig sinnlos erscheinen. Wie nützlich könnte ein Verstärker sein, wenn er die Wellenform so stark abschneidet? Wenn die Ausgabe ohne jegliche Konditionierung direkt verwendet wird, wäre sie in der Tat von fragwürdigem Nutzen. Bei Anwendung eines Schwingkreises (parallel resonante Induktor-Kondensator-Kombination) am Ausgang kann jedoch der gelegentliche vom Verstärker erzeugte Ausgangsstoß eine höherfrequente Schwingung in Gang setzen, die vom Schwingkreis aufrechterhalten wird. Dies kann mit einer Maschine verglichen werden, bei der einem schweren Schwungrad gelegentlich ein „Kick“ gegeben wird, damit es sich dreht:

Klasse-C-Verstärker, der einen Resonanzkreis antreibt.

Genannt Klasse C Betrieb genießt dieses Schema auch eine hohe Leistungseffizienz, da der/die Transistor(en) die überwiegende Zeit im Abschaltmodus verbringen, wo sie keine Leistung verbrauchen. Die Abklingrate der Ausgangswellenform (abnehmende Schwingungsamplitude zwischen den „Kicks“ vom Verstärker) ist hier zur Veranschaulichung übertrieben. Wegen des abgestimmten Schwingkreises am Ausgang ist diese Schaltung nur zum Verstärken von Signalen bestimmter, fester Amplitude verwendbar. Ein Verstärker der Klasse C kann in einem FM (Frequenzmodulation)-Radiosender verwendet werden. Der Klasse-C-Verstärker kann jedoch aufgrund von Verzerrungen möglicherweise ein AM-Signal (amplitudenmoduliert) nicht direkt verstärken.

Klasse D

Eine andere Art von Verstärkerbetrieb, die sich deutlich von Klasse A, B, AB oder C unterscheidet, wird als Klasse D bezeichnet . Sie wird nicht wie bei den anderen Betriebsklassen durch Anlegen einer bestimmten Vorspannung erreicht, sondern erfordert eine radikale Neukonstruktion der Verstärkerschaltung selbst. Es ist noch etwas zu früh in diesem Kapitel, um genau zu untersuchen, wie ein Klasse-D-Verstärker aufgebaut ist, aber nicht zu früh, um sein grundlegendes Funktionsprinzip zu diskutieren.

Ein Klasse-D-Verstärker reproduziert das Profil der Eingangsspannungswellenform durch die Erzeugung eines schnell pulsierenden Rechteckwelle Ausgabe . Das Tastverhältnis der Ausgangswellenform (Zeit „ein“ gegenüber der Gesamtzykluszeit) variiert mit der momentanen Amplitude des Eingangssignals. Die Diagramme in (Abbildung unten zeigen dieses Prinzip.

Verstärker der Klasse D:Eingangssignal und ungefilterter Ausgang.

Je größer die Momentanspannung des Eingangssignals ist, desto größer ist das Tastverhältnis des Ausgangs-Rechteckimpulses. Wenn es ein Ziel des Klasse-D-Designs geben kann, besteht es darin, den Aktivmodus-Transistorbetrieb zu vermeiden. Da sich der Ausgangstransistor eines Klasse-D-Verstärkers nie im aktiven Modus befindet, sondern nur gesperrt oder gesättigt ist, wird von ihm nur wenig Wärmeenergie abgegeben. Dies führt zu einer sehr hohen Leistungseffizienz für den Verstärker. Der Nachteil dieser Strategie ist natürlich das überwältigende Vorhandensein von Oberwellen am Ausgang. Da diese harmonischen Frequenzen normalerweise viel höher sind als die Frequenz des Eingangssignals, können diese glücklicherweise relativ einfach durch einen Tiefpassfilter herausgefiltert werden, was zu einer Ausgabe führt, die der ursprünglichen Eingangssignalwellenform mehr ähnelt. Klasse-D-Technologie wird typischerweise dort eingesetzt, wo extrem hohe Leistungspegel und relativ niedrige Frequenzen angetroffen werden, wie z. B. in industriellen Wechselrichtern (Geräten, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, um Motoren und andere große Geräte zu betreiben) und Hochleistungs-Audioverstärkern.

Ein Begriff, der Ihnen in Ihrem Elektronikstudium wahrscheinlich begegnen wird, ist der Begriff Ruhe , das ist ein Modifikator, der den Nulleingangszustand einer Schaltung bezeichnet. Ruhestrom ist beispielsweise die Strommenge in einer Schaltung, bei der eine Eingangssignalspannung von Null angelegt wird. Die Vorspannung in einer Transistorschaltung zwingt den Transistor, bei einer Eingangssignalspannung von Null auf einem anderen Niveau des Kollektorstroms zu arbeiten, als er es ohne diese Vorspannung tun würde. Daher bestimmt der Betrag der Vorspannung in einer Verstärkerschaltung ihre Ruhewerte.

Ruhestrom von Verstärkern

In einem Klasse-A-Verstärker sollte der Ruhestrom genau die Hälfte seines Sättigungswertes betragen (auf halbem Weg zwischen Sättigung und Cutoff, Cutoff per Definition ist Null). Verstärker der Klassen B und C haben Ruhestromwerte von Null, da diese ohne angelegtes Signal abgeschaltet werden sollen. Verstärker der Klasse AB haben sehr niedrige Ruhestromwerte, knapp über dem Cutoff. Um dies grafisch zu veranschaulichen, wird manchmal eine „Lastlinie“ über den Kennlinien eines Transistors aufgetragen, um seinen Betriebsbereich zu veranschaulichen, während er an einen Lastwiderstand mit einem bestimmten Wert angeschlossen ist, der in der Abbildung unten gezeigt wird.

Beispiel einer über Transistorkennlinien gezogenen Lastlinie von Vsupply bis zum Sättigungsstrom.

Eine Lastlinie ist ein Diagramm der Kollektor-Emitter-Spannung über einen Bereich von Kollektorströmen. In der unteren rechten Ecke der Lastlinie ist die Spannung maximal und der Strom ist null, was einen Abschaltzustand darstellt. In der oberen linken Ecke der Linie ist die Spannung Null, während der Strom maximal ist, was einen Sättigungszustand darstellt. Punkte, die markieren, wo die Lastlinie die verschiedenen Transistorkurven schneidet, stellen realistische Betriebsbedingungen für die gegebenen Basisströme dar.

Ruhebetriebsbedingungen können in diesem Diagramm in Form eines einzelnen Punkts entlang der Lastlinie angezeigt werden. Bei einem Klasse-A-Verstärker befindet sich der Ruhepunkt in der Mitte der Lastlinie wie in (Abbildung unten).

Ruhepunkt (Punkt) für Klasse A.

In dieser Abbildung fällt der Ruhepunkt zufällig auf die Kurve, die einen Basisstrom von 40 µA darstellt. Wenn wir den Lastwiderstand in dieser Schaltung auf einen größeren Wert ändern würden, würde dies die Steigung der Lastlinie beeinflussen, da ein größerer Lastwiderstand den maximalen Kollektorstrom bei Sättigung begrenzen würde, aber die Kollektor-Emitter-Spannung bei nicht ändern würde abgeschnitten. Grafisch ist das Ergebnis eine Lastlinie mit einem anderen oberen linken Punkt und demselben unteren rechten Punkt wie in

Lastlinie durch erhöhten Lastwiderstand.

Beachten Sie, dass die neue Lastlinie die 75-µA-Kurve entlang ihres flachen Teils nicht wie zuvor schneidet. Dies ist sehr wichtig zu wissen, da der nicht horizontale Teil einer Kennlinie einen Sättigungszustand darstellt. Wenn die Lastlinie die 75-µA-Kurve außerhalb des horizontalen Bereichs der Kurve schneidet, bedeutet dies, dass der Verstärker bei diesem Basisstrom gesättigt ist. Das Erhöhen des Lastwiderstandswerts hat dazu geführt, dass die Lastlinie die 75-µA-Kurve an diesem neuen Punkt schneidet, und es zeigt an, dass bei einem niedrigeren Basisstromwert als zuvor eine Sättigung auftritt.

Mit dem alten, niederwertigen Lastwiderstand im Stromkreis würde ein Basisstrom von 75 µA einen proportionalen Kollektorstrom ergeben (Basisstrom multipliziert mit β). Im ersten Lastliniendiagramm ergab ein Basisstrom von 75 µA einen Kollektorstrom, der fast doppelt so hoch war wie bei 40 µA, wie das β-Verhältnis vorhersagen würde. Der Kollektorstrom steigt jedoch zwischen Basisströmen von 75 µA und 40 µA geringfügig an, da der Transistor beginnt, genügend Kollektor-Emitter-Spannung zu verlieren, um den Kollektorstrom weiterhin zu regulieren.

Um einen linearen (verzerrungsfreien) Betrieb aufrechtzuerhalten, sollten Transistorverstärker nicht an Punkten betrieben werden, an denen der Transistor in die Sättigung geht; das heißt, wo die Lastlinie möglicherweise nicht auf den horizontalen Abschnitt einer Kollektorstromkurve fällt. Wir müssten dem Diagramm in Abbildung unten noch ein paar Kurven hinzufügen, bevor wir sagen könnten, wie weit wir diesen Transistor mit erhöhten Basisströmen „schieben“ können, bevor er in die Sättigung geht.

Weitere Basisstromkurven zeigen Sättigungsdetails.

In diesem Diagramm sieht es so aus, dass der Punkt mit dem höchsten Strom auf der Lastlinie, der auf den geraden Abschnitt einer Kurve fällt, der Punkt auf der 50-µA-Kurve ist. Dieser neue Punkt sollte als maximal zulässiger Eingangssignalpegel für den Klasse-A-Betrieb betrachtet werden. Auch für Klasse-A-Betrieb sollte der Bias so eingestellt werden, dass der Ruhepunkt auf halbem Weg zwischen diesem neuen Maximalpunkt und dem Cutoff liegt, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Neuer Ruhepunkt vermeidet Sättigungsbereich.

Da wir nun ein wenig mehr über die Folgen unterschiedlicher DC-Vorspannungspegel wissen, ist es an der Zeit, praktische Vorspannungstechniken zu untersuchen. Gleichspannungsquelle (Batterie) in Reihe mit dem Wechselspannungseingangssignal geschaltet, um den Verstärker für jede gewünschte Betriebsklasse vorzuspannen. Im wirklichen Leben ist der Anschluss einer genau kalibrierten Batterie an den Eingang eines Verstärkers einfach nicht praktikabel. Selbst wenn es möglich wäre, eine Batterie so anzupassen, dass sie für jede gegebene Vorspannungsanforderung genau die richtige Spannung erzeugt, würde diese Batterie nicht auf unbestimmte Zeit bei ihrer Herstellungsspannung bleiben. Sobald er sich zu entladen begann und seine Ausgangsspannung abfiel, begann der Verstärker in Richtung Klasse-B-Betrieb zu driften.

Nehmen Sie diese Schaltung, die im Common-Emitter-Abschnitt für die SPICE-Simulation beispielsweise in der folgenden Abbildung dargestellt ist.

Unpraktische Vorspannung der Basisbatterie.

Diese 2,3-Volt-„Vbias“-Batterie wäre nicht praktikabel, um sie in eine echte Verstärkerschaltung zu integrieren. Ein weitaus praktischeres Verfahren zum Erhalten einer Vorspannung für diesen Verstärker wäre die Entwicklung der erforderlichen 2,3 Volt unter Verwendung eines Spannungsteilernetzwerks, das über die 15-Volt-Batterie geschaltet ist. Immerhin ist die 15-Volt-Batterie schon notgedrungen da, und Spannungsteilerschaltungen sind einfach zu konstruieren und zu bauen. Sehen wir uns in der folgenden Abbildung an, wie dies aussehen könnte.

Spannungsteiler-Bias.

Wenn wir ein Paar von Widerstandswerten für R2 und R3 wählen, das 2,3 Volt über R3 von insgesamt 15 Volt erzeugt (z. B. 8466 Ω für R2 und 1533 Ω für R3), sollten wir unseren gewünschten Wert von 2,3 Volt zwischen Basis haben und Emitter zum Vorspannen ohne Signaleingang. Das einzige Problem ist, dass diese Schaltungskonfiguration die AC-Eingangssignalquelle direkt parallel zu R3 unseres Spannungsteilers platziert. Dies ist nicht akzeptabel, da die Wechselstromquelle dazu neigt, jede an R3 abfallende Gleichspannung zu überwältigen. Parallele Komponenten müssen die gleiche Spannung haben. Wenn also eine Wechselspannungsquelle direkt über einen Widerstand eines Gleichspannungsteilers angeschlossen wird, "gewinnt" die Wechselstromquelle und dem Signal wird keine Gleichspannung hinzugefügt.

Eine Möglichkeit, dieses Schema zum Funktionieren zu bringen, obwohl es möglicherweise nicht offensichtlich ist, warum es wird funktionieren, ist einen Koppelkondensator zu platzieren zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Spannungsteiler wie in der Abbildung unten gezeigt.

Der Koppelkondensator verhindert, dass die Vorspannung des Spannungsteilers in den Signalgenerator fließt.

Der Kondensator bildet einen Hochpassfilter zwischen der AC-Quelle und dem DC-Spannungsteiler, der fast die gesamte AC-Signalspannung auf den Transistor leitet, während er verhindert, dass die gesamte DC-Spannung durch die AC-Signalquelle kurzgeschlossen wird. Dies ist viel sinnvoller, wenn Sie den Superpositionssatz und seine Funktionsweise verstehen. Gemäß der Überlagerung kann jede lineare, bilaterale Schaltung stückweise analysiert werden, indem jeweils nur eine Stromquelle betrachtet und dann die Auswirkungen aller Stromquellen algebraisch addiert werden, um das Endergebnis zu finden. Wenn wir den Kondensator und die R2-R3-Spannungsteilerschaltung vom Rest des Verstärkers trennen würden, wäre es vielleicht einfacher zu verstehen, wie diese Überlagerung von AC und DC funktionieren würde.

Wenn nur die AC-Signalquelle in Kraft ist und ein Kondensator mit beliebig niedriger Impedanz bei der Signalfrequenz, erscheint fast die gesamte AC-Spannung über R3:

Aufgrund der sehr geringen Impedanz des Koppelkondensators bei der Signalfrequenz verhält er sich ähnlich wie ein Stück Draht und kann daher für diesen Schritt der Überlagerungsanalyse entfallen.

Wenn nur die Gleichstromquelle wirksam ist, scheint der Kondensator ein offener Stromkreis zu sein, und daher haben weder er noch die kurzgeschlossene Wechselstromsignalquelle einen Einfluss auf den Betrieb des R2-R3-Spannungsteilers in der Abbildung unten.

Der Kondensator scheint bei der DC-Analyse ein offener Stromkreis zu sein

Wenn wir diese beiden getrennten Analysen in der Abbildung unten kombinieren, erhalten wir eine Überlagerung von (fast) 1,5 Volt Wechselstrom und 2,3 Volt Gleichstrom, die bereit sind, an die Basis des Transistors angeschlossen zu werden.

Kombinierter Wechselstrom- und Gleichstromkreis.

Genug geredet – es wird Zeit für eine SPICE-Simulation der gesamten Verstärkerschaltung in der Abbildung unten. Wir verwenden einen Kondensatorwert von 100 µF, um eine beliebig niedrige (0,796 Ω) Impedanz bei 2000 Hz zu erhalten:

SPICE-Simulation der Spannungsteilervorspannung.