3.2. Построение нагрузочной линии

В усилительном каскаде выходные зажимы транзистора, сопротивление нагрузки и источник питания составляют последовательную цепь, в которой протекает определенный ток. За счет этого тока обеспечивается определенное падение потенциалов Uкэи Uн, где Uн- напряжение, которое падает на нагрузочном элементе. Тогда для ИРТ можно записать следующее выражение

Uкэ = Еп–Uн. (3.1)

Построение нагрузочной прямой (кривой) с целью выбора ИРТ для транзистора предполагает решение графическим методом уравнения (3.1). На рис. 3.3 приведена электрическая схема усилительного каскада с линейной нагрузкой Rн, ВАХ которой представлена приведена на рис. 3.4,б. Допустим, чтоRн= 1 кОм. Для графического решения выражения (3.1) перенесем ВАХ резистора (рис. 3.4,а) на ВАХ транзистора, где для ВАХ резистора за точку отсчета принимаем величину напряжения источника питания Еп. Точки пересечения ВАХ резистора и ВАХ транзистора определяют точки дляIк0и Uкэ0. По этим точкам в соответствии сIбвыбирают необходимыеIк0и Uкэ0при условии не превышения током коллектораIкмаксимального допустимого значения. Появление сигнального приращенияIбприводит к появлению новой точки пересечения ВАХ резистора и ВАХ транзистора, соответственно появляются и сигнальные приращенияIкиUкэ.

Рис. 3.3

Аналоговый сигнал Iб(t) изменяется плавно и вызывает изменение положения ИРТ, следовательно, процесс усиления можно трактовать как процесс управления ходом выходной ВАХ транзистора, приводящий к изменению положения РТ и появлению сигнальных составляющих тока и напряжения на выходе усилительного каскада.

Рис. 3.4

Если в качестве нагрузки используется нелинейный двухполюсник, то процесс построения нагрузочной линии соответствует тому же процессу, что и при линейной нагрузке, а именно идет решение соотношения (3.1) (Рис.3.5).

Рис. 3.5

Таким образом, для определения положения ИРТ в соответствии с (3.1) на плоскости выходных ВАХ транзистора необходимо построить график ВАХ нагрузочного элемента совместив начало его координат с точкой (Uкэ= Еп,Iк=0) и изменив направление оси напряжении этого графика на противоположное. Точка пересечения графика, построенного таким образом, с графиком текущей выходной ВАХ транзистора и определяет положение ИРТ.

3.3. Нагрузочная характеристика и траектория движения рабочей точки

В процессе подачи входных воздействий на вход усилительного прибора происходит изменение токов и напряжений в каскаде усилителя. Соответственно РТ также не стоит на месте. Рабочая точка, в зависимости от вида нагрузочного элемента усилительного прибора, движется по плоскости выходных ВАХ транзистора, определяя траекторию движения РТ. Здесь следует отметить, что линия на плоскости выходных ВАХ транзистора, по которой движется РТ в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой.

Если в качестве нагрузки используется постоянный резистор, то при изменении токов в схеме,токи, протекающие через этот резистор, и напряжения, падающие на нем при данных токах, прямо-пропорциональны, а нагрузочная характеристика представляет собой прямую линию. На рис. 3.6,а приведен пример подобного каскада.

Рис.3.6

При сигнальном воздействии на вход усилительного прибора происходит изменение и выходного тока Iк0Iк0 относительно тока коллектора в рабочей точкеIк0. При этомIк0преобразуетсяiвых. Выходной ток участвует в формировании выходного напряженияUвых. При этом в формированииUвыхучаствует не толькоRн, но и другие цепи и элементы. Так, с целью передачи с выхода N-го усилительного каскада переменной составляющей сигнала на вход N + 1 - каскада, включают разделительный конденсатор Ср(Рис. 3.6,6), который не влияет на работу каскадов усиления по постоянному току, но пропускает переменную составляющую сигнала. Величину емкости конденсатора выбирают достаточно большой, соответственно с реактивным сопротивлением этого конденсатора можно не считаться и при анализе каскадов усилителя по переменному току эту емкость заменить простой закороткой (Рис. 3.6,в).

Как известно, при подготовке электрической схемы к ее анализу на постоянном токе, из схемы исключаются все конденсаторы. При анализе же схемы на переменном токе все разделительные и блокировочные конденсаторы закорачиваются (заменяются накоротко замкнутыми цепями). Все источники постоянного напряжения заземляются, так как на внешних зажимах этих источников отсутствуют сигнальные напряжения. Тогда схема (рис. 3.6,б) при ее анализе на переменном токе приводится к виду (рис. 3.6,в). Соответственно выходной сигнальный ток iвыхпротекает через параллельно включенные нагрузочный резисторRни входное сопротивление последующего каскадаRвхN+1. ВАХ этого соединения представляет собой эквивалентное сопротивление нагрузкиRэкв, которое определяет характер преобразования сигнального токаiвыхв сигнальное напряжениеUвых. Тогда ее можно рассматривать как нагрузочную характеристику транзистора на переменном токе. В общем случае под нагрузочной характеристикой на переменном токе понимается ВАХ цепи, представляющей собой полное сопротивление, включенное между выходной клеммой транзистора и точкой нулевого потенциала.

Так как обычно нагрузочную характеристику на переменном токе рассматривают только при резистивном характере нагрузки, соответственно график этой характеристики в отличие от траектории РТ имеет вид не замкнутого контура, а сплошной линии.

На рис. 3.6,б приведена схема усилителя, в которой сопротивление нагрузки на постоянном токе Rнбольше сопротивления нагрузки на переменном токеZн(Rн_>Zн). Это характерно для чисто резистивных нагрузок. На рис. 3.7,а приведена принципиальная схема, в которойRн_>Zн.На рис. 3.7,б приведены графические построения применительно к этой схеме.

В этой схеме на постоянном токе сопротивление первичной обмотки трансформатора близко к нулю. Соответственно, нагрузочная прямая перпендикулярна оси Uкэи опирается на точку Еп. Точка пересечения этой прямой с ВАХ транзистора определяет начальный базовый ток, которому соответствует ИРТ иIк0. Нагрузочная же прямая на переменном токе для этого каскада определяется сопротивлениемZн, которое выражается в виде:

где: 1,2 —число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно;тр— КПД трансформатора;Rн— сопротивление нагрузки, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора.

Рис.3.7.

В схеме, в которой сопротивление нагрузки подключается к транзистору через трансформатор, напряжение между коллектором и эмиттером может превышать напряжение источника питания (рис. 3.7,б). Выбирая транзистор для усилительного каскада, это необходимо учитывать, т.е. транзистор должен обладать достаточным .

При комплексной нагрузке (рис. 3.8,а), например, при резистивно-емкостном ее характере между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги. В результате этого РТ на плоскости ВАХ транзистора перемещается не по линии, а по контуру (Рис. 3.8,б).

рис.2.7.

Для этого случая Rни Снсоединены параллельно. При воздействии сигнала в виде прямоугольного импульса на базу транзистора происходит резкое изменение базового токаIб. Его полярность такая, что он вызывает резкое увеличение коллекторного тока транзистора. В момент действия импульса базового тока РТ из точкиапочти мгновенно перемещается в точкуб, а затем по участкубв, перемещается существенно медленнее, и преодолевает этот участок за время установления фронта выходного импульса. Участоквг РТ проходит также достаточно быстро. Участок жегаРТ проходит за время спада фронта импульса, где постоянная времени нарастания и спада фронтов импульса равна:=RнСн. При этом величинаRнопределяет положение точек а ибна траектории движения РТ (нагрузочная характеристика).

Проведенное рассмотрение перемещения РТ показывает, что при комплексной нагрузке, РТ может существенно отклоняться от нагрузочной характеристики. Это в ряде случаев может приводить к ее выходу за пределы области безопасной работы транзистора и перегрузке выходной цепи:

- по току (емкостной характер нагрузки) (рис. 3.8,а);

- по напряжению (индуктивный и индуктивно-емкостной характеры нагрузки) (рис. 3.7).

С целью защиты транзисторов от пробоя в их выходную цепь часто включают диоды, стабилитроны, варисторы, которые препятствуют, например, резкому росту напряжения и соответственно исключают пробой транзистора.

3.4. Критерии выбора положение исходной рабочей точки

Исходная рабочая точка (ИРТ) однозначно определяет режим работы каскада на постоянном токе. Ее положение для биполярного транзистора задается током коллектора Iк0и разностью потенциаловUкэ0, а для полевого транзистора током стокаIc0и разностью потенциаловUси0. В этом случае, когда в схеме заданы величины ЕпиRн, положение ИРТ на постоянном токе определяетсяIк0иIc0,aвторая координата может быть однозначно определена согласно соотношений:

Uкэ0= Еп–Iк0*Rн;Uси0 = Еп–Iс0*Rн.

При известных Еп,RниUкэ0(Uси0) можно определить ток коллектора (стока) транзистора в ИРТ:

Iк0= (Еп–Uкэ0)/Rн;Ic0= (Еп–Uси0)/Rн;

Однако при выборе Iк0(Ic0) иUкэ0(Uси0) необходимо учитывать обстоятельства, связанные с усилением малых или больших сигналов. В каскадах усиления малых сигналов сигнальные измененияIвыхвыходного токаiвыхсоставляет лишь его небольшую часть. В этом случае величиныIк0иIc0выбирают, исходя из следующих противоречивых требований:

- высокое усиление;

- малое потребление тока и мощности;

- высокая стабильность и определенности режимов работы каскада на постоянном токе.

Увеличение Iк0иIc0позволяет улучшить усилительные свойства каскадов, за счет снижения величин сопротивлений нагрузки и соответствия уменьшения постоянных времени выходных узлов усилительных каскадов. При увеличенииIк0иIc0снижается влияние дестабилизирующих факторов на работу каскадов усилителей на постоянном токе. Соответственно можно улучшить стабильность и определенность параметров усилительного каскада. С этой точки зрения считается, что для биполярного транзистора при выборе положения РТ должно выполняться условие:

Iк0 >>I0к*,

где: I0к - неуправляемый ток обратно смещенногор-n-перехода;— номинальное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Однако при увеличении тока коллектора биполярного транзистора или тока стока полевого транзистора возрастает потребляемая мощность и мощность, выделяемая на транзисторе в виде тепла (Pt), так как:

Pt =Iк0*Uкэ0;Pt =Iс0*Uси0.

Обычно, если к усилителям малых сигналов не предъявляются специальные требования, то Iк0иIc0выбираются в диапазоне 0,5 ... 5 мА. В маломощных усилителях эти токи могут достигать величии десятков мкА и менее.

Пример.ПустьI0к==100. Определить величину минимального допустимого тока коллектора транзистора (Iк0).

Решение. Для решения задачи используем следующее выражениеIк0 >>I0к*, тогда ток коллектора в рабочей точке должен отвечать неравенствуIк0 >>Таким образом,Iк0должен быть большемкА.

Увеличение разности потенциалов Uкэ0, например, за счет увеличения Еп, позволяет улучшить частотные свойства усилительного каскада, поскольку в этом случае снижаются величины паразитных емкостей. В частности, снижается емкость обратно смещенного р-n-перехода коллектор-база (сток-затвор) транзистора. В случае использования транзисторов в составе интегральных схем (ИС), снижается величина паразитной емкости коллектор-подложка (сток-подложка) транзистора.

Однако увеличение Uкэ0(Uси0) приводит к приближению их кUк max(Uси max), что способствует росту вероятности выхода транзисторов из строя из-за электрического пробоя в их структуре. Кроме этого увеличениеUкэ0(Uси0) приводит к росту мощности, потребляемой каскадом. Как следствие этого приходится выбирать более мощные транзисторы при желании улучшить частотные свойства усилительного каскада за счет увеличения величины напряжения источника питания. Однако у мощных транзисторов усилительные и некоторые другие параметры, как правило, хуже. Кроме этого приходится решать конструктивно-технологические задачи по обеспечению требуемого теплового режима усилителя, увеличивать габаритные и стоимостные параметры изделия.

При малых напряжениях Uкэ0(Uси0) ИРТ приближается к линии насыщения (линия 1, рис. 3.1, рис. 3.2), но из-за этого происходит рост нелинейных искажений. Для исключения этого рекомендуется выбирать величиныUкэ0 иUси0не ниже напряжений, определяемых соотношениями:

где: Um.max - наибольшее из возможных сигнальных изменений напряжения на выходе усилительного каскада. НапряжениеUнач. maxдолжно соответствовать наибольшему значению выходного тока (Рис.3.9,а).

При усилении сигналов большой интенсивности часто необходимо обеспечить получение на выходе усилительного каскада предельных сигнальных значений изменений тока и напряжения, соизмеримых с Iвых.maxиUвых.max. В этих условиях выбор положения ИРТ осуществляется с учетом полярности и формы сигнала. Если сигнал двунаправленный (синусоидальный), то ИРТ располагается в середине усилительной области таким образом, чтобы выполнялись соотношения:

При этом появляется возможность получить выходной ток и напряжение предельных амплитуд (рис. 3.9,а):

Рис.3.8

При усилении однополярных сигналов ИРТ располагается в одном из крайних возможных значениях тока усилительной области ВАХ (Рис. 3.9,6). Для ИРТ1 имеем , а для ИРТ2 имеем. При таких положениях ИРТ достигаются максимальные амплитуды импульсного сигнала:Выбор ИРТ1 или ИРТ2 зависит от выбора полярности сигнала и типа проводимости транзистора. При этом выбор полярности сигнала и типа проводимости транзисторов производят, исходя из стремления получить минимальный ток в режиме покоя.

При выборе положения ИРТ следует также руководствоваться необходимостью обеспечения безотказной работы усилительных схем. Для этого необходимо стремиться к тому, чтобы РТ, и в первую очередь ИРТ, не выходила за границы области безопасной работы, т.е. должны выполняться условия:

Таким образом, для обеспечения безопасной работы усилительных элементов необходимо, чтобы ИРТ находилась внутри незаштрихованной области (рис. рис. 3.1, 3.2, 3.9). При выборе положения ИРТ необходимо также учитывать, что достигает наибольшего значения при(при).