2.2.3. Графический анализ работы каскада

Более полное представление о работе каскада дает графический анализ, при котором получают графики (кривые) изменения токов и напряжений (2.2), (2.3), (2.4), (2.7), (2.9), (2.10) совместно с выходными и входными характеристиками, приведенными на рис. 2.2. Нагрузочная прямая (2.2) построена для R_н = 2,5 КОм, Е_п = 10 В, а нагрузочная прямая для переменного тока - для R_н = 1,8 КОм (= 1 КОм). Для анализа используют синусоидальный входной сигнал . Из точки покоя А проводят оси времени t для переменных составляющих (влево) и (вниз). Для входного сигнала ось времени t совмещают с коллекторной характеристикой, проходящей через точку A (соответствующей току покоя базы , равного 0,1 мА на рис. 2.2,а). Затем на эту ось времени наносят кривую (синусоида) с учётом расстояния между коллекторными характеристиками в величинах тока базы. На рис. 2.2,а коллекторные характеристики приведены для токов базы, отличающихся на 0,05 мА, т.е. интервал между коллекторными характеристиками по току базы равен 0,05 мА (= 0,05 мА). Для упрощения анализа амплитуды переменной составляющей сигнала тоже выбрана равной 0,05 мА ( = 0,05 мА). По графику можно построить графики и напряжений , . Для этого на графике выбирают несколько точек, находят соответствующие им значения , , и по этим значениям строят графики , , . На рис. 2.2,а для анализа выбраны три точки графика , соответствующие значениям тока базы I_бА (точка А), (точка 1), (точка 2). Для синусоидального сигнала трёх точек вполне достаточно. Затем для каждой из выбранных точек находят соответствующие значения , , . Например, для точки 1 ток базы увеличился до значения = 0,15 мА. При этом ток коллектора также увеличился и рабочая точка переместилась вверх по в точку пересечения нагрузочной прямой с коллекторной характеристикой, соответствующей току базы . Координаты этой точки и есть величины тока коллектора i_к (ось ординат) и напряжения коллектора u_к (ось абсцисс). На оси времени для токов отмечается точка , соответствующая величине тока i_к в точке , равной , а на оси времени для напряжений – точка , соответствующая величине напряжения в точке , равной . По точке () и значениям для двух моментов времени (до и после точки ) строят первую полусинусоиду тока (масштаб по оси времени выбирают произвольным), соответствующую увеличению тока базы. Аналогично по точке () и значениям для двух моментов времени (до и после точки ) строят первую полуволну напряжения . При этом следует отметить, что если принять первую полусинусоиду тока положительной (ток коллектора увеличивается), то первая полусинусоида напряжения будет отрицательной (напряжение на коллекторе уменьшается). Точно так же строят вторую полусинусоиду тока и напряжения по точке 2 графика : находят точку пересечения нагрузочной прямой ВС с коллекторной характеристикой, соответствующей току базы = 0,05 мА, по координатам этой точки определяют точки и строят полусинусоиды тока и напряжения . Теперь полусинусоида тока отрицательна (ток уменьшается), а полусинусоида напряжения положительна (напряжение увеличивается). Используя синусоидальную кривую тока наложенного на ток базы покоя , можно найти кривую напряжения по входной характеристике (рис. 2.2,б). Для этого из точки А на входной характеристике проводят оси времени t для тока и напряжения . Для каждого значения тока находят значение напряжения , которое представляет собой координату на оси напряжений точки пересечения горизонтальной линии, соответствующей выбранному значению тока с входной характеристикой. По полученным значениям строят график , как это показано на рис. 2.2,б.

Для анализа несинусоидального сигнала точек нужно брать значительно больше. При этом потребуются промежуточные коллекторные характеристики, которые можно «достроить» методом интерполяции. На рис. 2.2 штриховкой отмечены полные (мгновенные) значения тока , напряжений и , а также значение падения напряжения на резисторе .

Из построений на рис. 2.2 видно, что ток коллектора и напряжение коллектора изменяются под управлением входного сигнала . Изменения эти ( и ) пропорциональны входному сигналу. Однако ток и напряжение при этом остаются всегда положительными (для транзисторов n-p-n типа), т.е. и являются пульсирующими, в то время как входной сигнал имеет положительные и отрицательные полуволны. Таким образом, ток и напряжение не являются увеличенными копиями входного сигнала. Однако в составе пульсирующих , имеются «увеличенные копии входного сигнала» (усиленный сигнал) – это переменные составляющие (с амплитудой ) и с (амплитудой ). Как уже указывалось, в большинстве случаев требуется выделение , из полных значений , .

Из построений на рис. 2.2 можно определить амплитуду усиленного сигнала и , а также амплитуду (=0,8 мА, =1 В, = = 0,1 В) и найти коэффициенты усиления: , К_i = = 16. На практике такой способ определения параметров каскада не используется, т.к. параметры каскада значительно проще находятся по эквивалентной схеме каскада для малых переменных сигналов, что и будет сделано далее.

Следует ещё отметить, что из-за нелинейности входной характеристики при синусоидальном токе переменное напряжение несинусоидально. Полуволна, соответствующая увеличению тока базы , меньше полуволны, соответствующей уменьшению тока базы . Это различие особенно велико для больших амплитуд сигналов (для большого сигнала). Однако для очень малых амплитуд сигнала это различие несущественно. Кроме того, при синусоидальном токе базы несинусоидальность напряжения никак не отражается на форме выходного сигнала. Если к входу каскада будет подключен источник ЭДС , то на входе будет задана синусоида напряжения . Вот тогда ток базы будет несинусоидальным, т.е. уже во входной цепи могут возникать нелинейные искажения. Более подробно нелинейные искажения будут рассмотрены при анализе выходных каскадов, а здесь лишь указана особенность входной цепи каскада.