1.2.10 Работа активных элементов с нагрузкой

При работе активного элемента в аппаратуре связи или ра­диотехнических устройствах на управляющий электрод подается входной сигнал. Изменение этого сигнала приводит к изменению тока в выходной цепи активного элемента. Чтобы использовать изменение выходного тока, в выходную цепь активного элемента всегда включается нагрузка. В качестве нагрузки могут быть ак­тивное сопротивление (резистор), колебательный контур, транс­форматор. Выходной ток, протекая по нагрузке, создает на ней падение напряжения, которое вычитается из напряжения источ­ника питания. В связи с этим величина выходного тока зависит от одновременного изменения напряжения на управляющем и выходном электродах активного элемента.

Для анализа работы активного элемента с нагрузкой, кроме статических характеристик, используется нагрузочная. Она пред­ставляет собой геометрическое место точек приложения состав­ляющих токов и напряжений входной или выходной цепей соот­ветственно, которым соответствуют возможные значения режима работы усилительного каскада.

Методика построения нагрузочной характеристики не зави­сит от типа активного элемента. Рассмотрим ее построение на примере усилительного каскада с общим эмиттером. При вклю­чении нагрузки в коллекторную цепь транзистора изменение тока коллектора определяется совместным воздействием изменений входного тока базы и напряжения в выходной коллекторной цепи.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответст­вии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

(2.26)

т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения кол­лектор – эмиттер транзистора всегда равна постоянной ве­личине – ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как

Выражение (2.26) является математическим описанием прямой линии, его называют уравнением нагрузочной прямой, которая строится на семействе статических выходных характери­стик (рис.1.23, а).

Рисунок 1.23 Графический анализ работы усилительного

Каскада с нагрузкой в режиме классаА

Построение линии нагрузки по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка А: ) и короткого замыкания (точка А: ). Наклон линии нагрузки определяется сопротивлением резистора , поэтому характеристику, можно провести под углом

Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (2.26) для данных сопротивления нагрузки , напряжения питания и различных значений входного тока. Выбрав на входной ха­рактеристике значение тока покоя базы и определив точку пересечения соответствующей выходной характеристики, снятой при с нагрузочной прямой, определяем режим по постоянному току выходной цепи — точка О( ). Для по­лучения наибольшей амплитуды выходного напряжения необхо­димо, чтобы точка покоя размещалась посередине его линии на­грузки. При этом режим ограничения будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения, каскад будет работать с минимальными нелинейными искажениями (ре­жим класса А).

У биполярных транзисторов, кроме нагрузочной характери­стики, используется входная, получаемая методом перенесения точек пересечения выходной нагрузочной характеристики на се­мейство входных характеристик.

Однако для многих транзисторов характерно слабое влия­ние коллекторного напряжения на входной ток. Это проявляется в очень незначительных смещениях входных статических харак­теристик при изменениях коллекторного напряжения, в связи с чем семейство входных статических характеристик представлено лишь двумя из них, снятыми при напряжении ( ) и

при номинальном напряжении на коллекторе. Поэтому нагрузоч­ная входная характеристика в этом случае сливается со статиче­ской, снятой при ( ) (рис. 1.23, а).

Для определения переменных составляющих тока и напря­жения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току. Для переменного тока источник питания, сопротивление разделительного конденсатора практически не оказывают никакого сопротивления. Поэто­му для сопротивления резисторов и соединены парал­лельно и образуют сопротивление нагрузки транзистора по пере­менному току

(2.27)

Анализ выражения (2.27) показывает, что сопротивление нагрузки усилительного каскада по постоянному току больше, чем по переменному току .

При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и пере­менных составляющих. При увеличении мгновенное напряже­ние на коллекторе уменьшится и его приращение будет равно

(2.28)

Линия нагрузки по переменному току, угол наклона кото­рой равен , проходит через точку покоя (точка О).

Если во входную (базовую) цепь каскада подается входное на­пряжение амплитудой , то рабочая точка на входной нагру­зочной характеристике будет перемещаться вверх, в точку 1 при положительной полуволне входного сигнала, и вниз, в точку 2 при отрицательной полуволне входного сигнала. В базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока базы , которая вызывает появление переменной составляющей тока кол­лектора . Это вызывает перемещение рабочей точки по выход­ной нагрузочной характеристике вверх при положительной полу­волне входного сигнала ( уменьшается) и вниз при отрицательной полуволне ( возрастает). Таким образом, схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° (схема инвертирует входной сигнал).

Для получения минимальных искажений необходимо, что­бы рабочая точка не заходила при перемещении вверх в область нелинейных участков ВАХ (транзистор из активного режима мо­жет переходить в режим насыщения), а при перемещении вниз – в область начальных токов (область отсечки) .

Графический расчет, кроме того, позволяет определить сле­дующие параметры:

входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению коэффициент

Усиления по току

коэффициент усиления по мощности