Составление уравнений для свободных токов и напряжений.

3)Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Большинство усилителей мощности класса «А» работают в однотактном режиме. При этом постоянное напряжение смещения транзистора составляет половину запирающего, а амплитуда сигнала меньше напряжения смещения. Этим обусловлен недостаток усилителей класса "А" - маленькая выходная мощность. В результате такой работы транзисторов, постоянная составляющая протекающего тока, чуть больше амплитуды переменной составляющей, поэтому транзистор всегда открыт и находится в проводящем состоянии. Если на входе сигнала нет, то постоянный ток постоянно протекает и отдаёт большую часть энергии на нагрев (низкий КПД до 20%). Основное преимущество класса "А" - то, что рабочая область транзистора находится на линейном участке вольт - амперной характеристики и искажения усиливаемого сигнала минимальны.

Усилители работающие в двухтактном режиме класса "А" малопригодны для высококачественного звуковоспроизведения сложного сигнала, так как постоянно протекающий повышенный постоянный ток, способствует дополнительному увеличению несимметричности правой и левой полуволны сигнала, это добавляет фазовые искажения и звук теряет разборчивость. Такой характер звука некоторые малоопытные слушатели воспринимают как "ламповую мягкость". К тому же, нагрев двух мощных (комплементарных) звукопроводящих транзисторов увеличивает (в два раза) тепловые -гармонические искажения на низких и инфранизких частотах, что приводит к образованию паразитной частотной модуляции. Отметим, что на сложном сигнале уровень частотной модуляции 0,05% здорово заметен на слух, поэтому класс "А", это не панацея от всех болезней. Но, паразитная частотная модуляция имеет место в других классах и сильно проявляется при повышенной динамической активности звукового сигнала. Поэтому нагрев мощных транзисторов зависит от активности и громкости усиливаемого звукового сигнала, в результате мощный транзистор хаотично, то нагревается, то остывает. Надо признать, что скоростные качества одного и того же транзистора с разной температурой кристалла неодинаковые, а мощных комплементарных пар много более. Комплементарные транзисторы (в классе "А" и "В") имеют разный наклон характеристики передачи, что вызывает устойчивые кроссоверные искажения в этих классах.

В режиме класса «В» амплитуда звукового сигнала меньше или равна напряжению смещения, а напряжение смещения = напряжению запирания транзистора. В этом случае транзистор открывается только во время прихода положительной полуволны сигнала. Такие усилители мощности работают в двухтактном режиме и каждая полуволна сигнала поочерёдно (в режиме отсечки) проходит через свой тип транзистора. Поэтому, наличие "мёртвой" зоны при переходе через ноль приводит к искажениям типа "ступенька". Но, в отличие от класса «А» транзисторы заперты и постоянный ток не течёт если нет сигнала. КПД усилителей мощности этого класса максимум 75%. Недостаток данной схемы, это переходные искажения второго порядка, которые возникают в транзисторах разной проводимости и обусловлены различиями индивидуальных частотно - временных свойств NpN и PnP транзисторов.

Класс «АВ» - частичное объединение двух классов «А» и «В». При этом напряжение запирания транзистора меньше половины напряжения смещения, но амплитуда проходного сигнала не превышает напряжение смещения. В этом случае отрицательная полуволна сигнала частично искажается, а положительная проводится полностью. Но, общие искажение сигнала меньше чем в схеме класса «В» и протекающий ток меньше чем в классе «А». КПД таких усилителей в два раза выше, по сравнению с схемой класса "А" и составляет 50 - 70%. Основное достоинство класса "АВ" - это возможность выбора оптимального соотношения между величиной искажений и КПД, c помощью изменения напряжения смещения в определённых пределах. Отметим, что 99% всей выпускаемой аудио аппаратуры работает в этом классе.

К экономичной категории класса "АВ" относятся усилители с динамическим смещением, которые имеют зависимость от уровня сигнала - SuperClass A, Non-switchingamp, NewClass A и.т.п. Такие усилители мощности ближе расположены кклассу "В" и имеют основные недостатки этого класса. Однако, спектр нелинейных искажений этих усилителей сужается до 5 гармоники (что есть хорошо) и уменьшается при малых уровнях сигнала, но реально превзойти класс "А" (по качеству звукопередачи) нет возможностей.

Класс «С» - это работа транзисторов при маленькой амплитуде напряжения запирания ниже, чем напряжение смещения. В этом случае амплитуда звукового сигнала меньше, чем напряжение смещения. В таком состоянии транзистор проводит только верхнюю часть положительной полуволны, что сильно искажает сигнал. Поэтому в аудио усилителях, этот класс не применяется. Такой режим работы транзисторов имеет высокий КПД (около 85%).

Класс "D" - это усилители сигнала с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ).

Для того, чтобы усилитель мощности перевести в класс "D" необходимо создать ключевой режим работы выходных транзисторов - замыкать и размыкать их. Для этого, на базу (затвор) транзистора подается ШИМ-сигнал обработанный периодической последовательностью прямоугольных импульсов (прямоугольный сигнал). Этот прямоугольный сигнал проходя через транзистор, отпирает и запирает его. В результате импульсного процесса (на короткое время) создаётся рабочая точка выходных транзисторов. Поэтому ток через транзисторы не потечёт если нет сигнала, это вызывает искажения звука свойственные классу "В". Известно, что многозадачные электронные процессы и скорость переключения транзисторов не проходят мнгновенно, это изменяет форму сигнала и увеличивает длину пути его прохождения. К тому же,интермодуляционные искажения звука в усилителях ШИМ имеют прямую зависимость, от частоты модуляции к частоте усиливаемого сигнала, что ограничивает их использование в звуковом диапазоне.

Класс “D” имеет одно неоспоримое преимущество высокий КПД 90%.

Усилитель для сабвуфера - вот реальное применение класса "D" в аудио.

ШИМ-сигнал применяется для записи формата аудиодисков – SACD. Но на практике всплывают существенные недоработки этого нового формата.

Билет 25