12

Методическое пособие

по курсу

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

Часть 3. «Анализ работы усилительного каскада с помощью вольтамперных характеристик его элементов»

3.1. Выходные характеристики транзистора, рабочая точка и область безопасной работы

Наиболее наглядное представление о работе усилительных каскадов дает анализ их работы с использованием вольтамперных характеристик(ВАХ) усилительных приборов. При этом основной характеристикой является выходная ВАХ. Она представляет собой зависимость выходного токаIвыхот выходного напряженияUвых. При построении графиков этих характеристик входное воздействие (токIвxдля биполярных транзисторов или напряжениеUвx для полевых транзисторов) выступают в роли параметра.

На рис.3.1 приведены выходные ВАХ биполярного транзистора, свойственные для наиболее часто используемых включений, когда в качестве выходного тока выступает ток коллектора, а в качестве выходного напряжения напряжение между эмиттером и коллектором транзистора. Ток базы при построении этих ВАХ выступает в качестве параметра. На этих ВАХ линиями 1 ограничивает область насыщения транзистора, а линия 2область отсечки. Область ВАХ, расположенная правее линии насыщения и выше линии отсечки называется активной (управляемой) областью работы транзистора.

Рис.3.1

Выходные характеристики полевого транзистора во многом сходны с ВАХ биполярного транзистора (рис. 3.2). Здесь в роли выходного тока выступает ток стока Iс, а выходного напряжения - напряжение сток-исток транзистораUси. В роли входного параметра используется напряжение затвор-исток транзистораUзи. Соответственно, линиями 1 и 2 отмечены области активной управляемой области транзистора (линейный участок ВАХ).

Рис.3.2.

Работу усилительного прибора в схеме можно интерпретировать как изменение протекания выходного тока Iвых под действием входного сигналаIвхили Uвх:

;.

Таким образом, при приложении к базе биполярного транзистора управляющего тока или к затвору полевого транзистора управляющего напряжения, происходит уменьшение или увеличение выходного тока. Подобные изменения происходят относительно так называемой исходной рабочей точки(ИРТ), которая соответствует на ВАХ тем значениям выходного тока и выходного напряжения, которые получаются при отсутствии входных сигнальных воздействии. В дальнейшем для этой точки ток и напряжение будем обозначать с добавлением индекса (о):Iк0,Uкэ0,Iбэ0,Uбэ0и т. д.

Напряжения и токи, обеспечивающие положение ИРТ, называют начальными напряжениями и токами, а цепи, обеспечивающие эти напряжения и токи, -цепями смещения.

Сигнальные изменения Iвыхвыходного токаIвыхот изменений, вызванные изменениямиIвхвходного токаIвхилиUвх входного напряженияUвх, должны подчиняться линейному закону. Только при линейной зависимости этих изменений можно достичь наименьшего искажения усиливаемых сигналов при работе усилительного каскада на линейную резистивную нагрузку. Очевидно, что подобным требованиям отвечает определенная область ВАХ транзистора. Подобная область называется усилительной областью,и она располагается в соответствии с рис. 3.1 и рис. 3.2 правее линии 1 (левее линии 1 расположена область насыщения транзистора) и выше линии 2 (ниже линии 2 расположена область отсечки транзистора). При попадании выходного тока транзистора в области отсечки или насыщения не только нарушается пропорциональность изменений выходного тока от изменений входного воздействия, но и вообще прекращается сам процесс усиления, т.е. усилительный прибор теряет усилительные свойства.

Считается, что транзистор работает в активной области, если в процессе работы (усиления) РТ не соприкасается с линией насыщения. Таким образом, фактически напряжения UкэиUсидолжны находиться правее линии 1. ВеличиныUкэилиUси, исключающие вхождение транзистора в режиме насыщения характеризуются начальным напряжениемUнач, которое для полевых транзисторов изменяется от долей вольта при малых токах до единиц вольт при максимальных величинах токов стока транзистора. Для работы выбирается линейный участок ВАХ.

Для биполярного транзистора Uначоценивается по формуле:

Uнач =Iк*rнач

где rнач=dUкэ/dIксопротивление, характеризующее наклон линии насыщения (линия 1, рис. 3.1). Приблизительно можно считать, чтоrнач=(3…5)/Iк max, гдеIк мак - предельно-допустимое значение тока коллектора транзистора.

Важным при использовании транзисторов в усилительных каскадах является определение для них области безопасной работы(ОБР), которая ограничивается линиямиUкэ max, Iк max,Pк max,задаваемых техническими условиями на данный транзистор. При этом должны выполняться условия

Iвых <Iвых мах;Uвых <Uкэ мах.

ИРТ работы транзистора в усилительном каскаде определяется заданными величинами Uкэ0 и Iк0. При этом потребляемая мощность в этой точке должна отвечать условиюPt max=Uкэ0 *Iк0 <Pt max.