21Режимы работы усилительного каскада (а,б,с,).

Нагрузочная характеристика

В цепь транзистора ( в эмиттерную или коллекторную) включается нагрузка. Наиболее простой случай, когда эта нагрузка активная. При наличии нагрузки напряжение U_кэ не остается постоянным: U_к = U_кэ + I_к R_к

С оотношение показывает, что ток коллектора I_к зависит не только от тока базы, но и от напряжения U_кэ на коллекторном переходе.

I_к = - Uкэ 1)

З ависимость является линейной. Совмещение этой характеристики с выходной характеристикой позволяет построить зависимость I_к(I_б). На выходной характеристике строится прямая АВ, представляющая собой I_к=f(Uкэ) (ХХ).

Точка В соответствует Uкэ=0. В этом случае I_к = . (КЗ).

Точка А соответствует I_к=0. В этом случае U_к =U_кэ. Прямая АВ называется нагрузочной прямой, или выходной нагрузочной характеристикой, или линией нагрузки. По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками можно построить зависимость I_к=f(I_б), позволяющую произвести соответствующий расчет. Эта линия называется динамической переходной характеристикой.

Положение точки В линии нагрузки зависит от R_к. При R_к=0, I_к = . Линия проходит вертикально из точки А. В этом случае динамическая переходная характеристика пройдет выше построенной и будет называться статической переходной характеристикой (Uкэ не меняется).

При R_к= I_к= . При увеличении R_к наклон прямой уменьшается, уменьшается и максимальное значение I_к.

Рабочая точка выбирается на нагрузочной прямой. Возможны три основные области работы транзистора.

Участок МN--активная область. Все линейные усилительные схемы работают в этой области. Транзистор работает при прямом смещении на эмиттерном и обратном смещении на коллекторном переходах. Для малого сигнала дифференциальный коэффициент усиления тока

β= ,

соответствующий наклону динамической переходной характеристики в рабочей точке. Для большого сигнала интегральный коэффициент усиления тока

В≈ ,

соответствующий наклону прямой, проходящей через рабочую точку и начало координат.

Область отсечки—область, лежащая ниже линии I_б = 0, т.е. базовый ток I_б должен быть отрицательным. В этом случае оба перехода транзистора работают при обратном смещении. Обратный ток коллекторного перехода скомпенсирован отрицательным напряжением на базе. Транзистор заперт. В кремниевых транзисторах этот ток практически равен нулю. Поэтому линия I_б = 0 проходит по оси координат. Транзисторы запираются при I_б = 0.

Область насыщения—характеризуется прямым смещением обоих переходов транзистора. Это состояние возникает при увеличении тока базы выше прямой 0М. Ток базы в точке М называется критическим. Для насыщения используют ток базы в К раз больший критического. К называется коэффициентом насыщения. Обычно К=1.5…3.

Области отсечки и насыщения широко используются в импульсной технике, в том числе и в микросхемах. Режимы называют ключевыми. Токи базы выбирают такими, чтобы транзистор переходил из области отсечки в область насыщения и наоборот. Режим работы усилительного каскада в ключевом режиме называется режимом класса D. Важными параметрами ключевого режима являются время нарастания тока коллектора и время рассасывания носителей заряда.

Существует еще три режима работы усилительного каскада: режимы класса А, класса В и класса С.

В режиме А рабочая точка состояния покоя (постоянного тока коллектора) выбирается в середине линейного участка динамической характеристики (точка А). В этом режиме изменения тока базы передаются в ток коллектора с минимальными нелинейными искажениями. Для создания этого режима на базу должно быть подано постоянное смещение. Независимо от того, подается входной сигнал или нет, ток смещения протекает всегда и усилитель расходует мощность P =I_k0E_K. КПД усилителя в режиме А оказывается менее 25%. Режим используется в при малых мощностях.

В режиме В рабочая точка выбирается вблизи области отсечки. Вследствие этого в двухполярных входных сигналах усиливается только одна полярность входного напряжения. Режим работы активного элемента принято характеризовать углом отсечки.

Под углом отсечк и понимают выраженную в градусах половину части периода входного напряжения, в течение которой в активном элементе протекает ток. В режиме класса В угол отсечки Ѳ= 90⁰. В режиме класса А Ѳ=180⁰. КПД режима может достигать 60…70%. Недостатком режима являются большие нелинейные искажения. Применяются в двухтактных усилителях.

С целью уменьшения нелинейных искажений применяют смешанный режим АВ, при котором 90⁰< Ѳ<180⁰.

В режиме С рабочая точка выбирается в области отсечки! Ѳ<90⁰. Усилитель усиливает только часть входного сигнала, выходящего за область отсечки. Только тогда через него и начинает протекать ток. КПД достигает 85%. Зато большие нелинейные искажения. Применяется в импульсных устройствах и усилителях повышенной мощности.