Работа уэ с нагрузкой. Динамические характеристики уравнение нагрузочного режима

Включение сопротивления нагрузки в цепь УЭ существенно влияет на его токи и напряжения. Рассмотрим схему на биполярном транзисторе с ОЭ (рис. 11.2). В цепь источника питания с ЭДС Е_К последовательно включены сопротивление нагрузки R_К и транзистор. На основании закона Кирхгофа

(11.1)

где и U_Н — соответственно напряжения на транзисторе к нагрузке в действующих значениях. Так как ЭДС источника питания Е_К является постоянной, то с изменением тока I_К, протекающего по сопротивлению R_К, падение напряжения на нем U_н изменится, а значит, напряжение U_КЭ также изменится. Эту зависимость в соответствии с уравнением (11.1) можно выразить следующим образом:

(11.2)

В общем виде для всех видов УЭ уравнение (11.2) можно записать

(11.3)

Таким образом, при работе УЭ с нагрузкой в выходной цепи напряжение U_УЭ является функцией выходного тока, который, в свою очередь, меняется при изменении входного напряжения. Например, увеличение прямого напряжения на входе биполярного транзистора приведет к возрастанию коллекторного тока I_К, что вызовет увеличение падения напряжения на нагрузке, а напряжение U_КЭ соответственно уменьшится. Следовательно, при наличии нагрузки выходной ток I_К, являясь функцией выходного напряжения, в свою очередь, приводит к изменению этого напряжения.

Нагрузочные линии усилителя и их построение

Зависимости между мгновенными значениями напряжений и токов в цепях УЭ при наличии в этих цепях внешних сопротивлений называются динамическими характеристиками. Выходная динамическая характеристика представляет собой зависимость выходного тока УЭ от его выходного напряжения при наличии сопротивления нагрузки в выходной цепи. Динамическая характеристика, построенная на статических выходных характеристиках УЭ в соответствии с (11.3), называется нагрузочной линией УЭ. Различают нагрузочные линии для постоянного и переменного токов.

Построим нагрузочную линию постоянного тока для биполярного транзистора, собранного по схеме с ОЭ. Уравнение нагрузочного режима для этого случая имеет вид уравнения (11.2). Представим уравнение (11.2) как зависимость

(11.4)

Уравнение (11.4) является уравнением прямой линии, которую можно построить по двум точкам А и В, отложенным на осях координат (рис. 11.6).

Рис. 11.7. Нагрузочные прямые постоянного тока при различных R_н

Рис. 11.6. Нагрузочные прямые постоянного и переменного тока

Точку А на оси абсцисс получим, приравняв I_К к нулю. При этом напряжение . Точку В на оси ординат получим при U_КЭ=0. В этой точке I =. Проведенная через эти точки прямая является нагрузочной линией по постоянному току для биполярного транзистора в схеме с ОЭ. Нагрузочная прямая позволяет определить для каждого значения тока I_К соответствующее ему значение U_КЭ при данном сопротивлении нагрузки R_К и ЭДС источника питания Е_К.

Рис. 11.8. Схема усилителя с нагрузкой по переменному току

Аналогично строят нагрузочные прямые для полевого транзистора и электронной лампы. Угол наклона нагрузочной прямой к оси абсцисс определяется сопротивлением нагрузки . Очевидно, что при неизменной ЭДС нагрузочная прямая пройдет тем ниже, чем больше R_н (рис. 11.7). Точка пересечения нагрузочной прямой со статической выходной характеристикой, построенной при постоянном U_вх, равном напряжению смещения для полевых транзисторов и электронных ламп, а для биполярных транзисторов при входном токе, равном току смещения, является точкой покоя в семействе выходных характеристик усилительного элемента. В точке покоя определяются соответственно ток покоя и напряжение покоя. Если в схеме усилителя цепи переменного и постоянного токов на выходе разделяются, то нагрузка усилительного элемента по постоянному и переменному токам будет различной. При построении нагрузочных характеристик для переменного тока надо учитывать наличие реактивных элементов — емкостей и индуктивностей в схеме, т. е. то, что в общем случае сопротивление нагрузки комплексное. Однако сопротивления нагрузки подбирают обычно так, чтобы можно было пренебречь влиянием реактивных сопротивлений на общее эквивалентное сопротивление. В этом случае нагрузку по переменному току допустимо считать активной. Например, на рис. 11.8 конденсатор С_р разделяют пути постоянной и переменной составляющих выходного тока, так как для постоянной составляющей сопротивление Х_С близко к бесконечности. В данной схеме нагрузкой для постоянного тока является R_К, а для переменного тока — результирующее сопротивление при параллельном соединении R_К и R_н. . Очевидно, что сопротивление меньше, чем R_К, и поэтому уравнения нагрузочного режима и линии нагрузочного режима для постоянного и переменного токов будут отличаться между собой. При активном характере сопротивления нагрузки линия нагрузочного режима для переменного тока также будет прямой. Эта прямая обязательно пройдет через точку покоя М (рис. 11.6), так как в отсутствие сигнала в режиме покоя выходной ток I_К =I_К0.

При подаче на вход транзистора вместе с постоянным напряжением смещения переменного напряжения сигнала , ток в выходной цепи будет меняться в такт с изменением входного сигнала. При этом выходной ток i_вых будет представлять собой сумму двух токов — постоянного I_К0 и переменного

.

Выходное напряжение также будет меняться в зависимости от мгновенного значения переменной составляющей выходного тока, и уравнение нагрузочного режима можно представить следующим образом:

(11.5)

Точка М является общей для обеих нагрузочных прямых. Вторую точку С найдем на оси токов, взяв u_КЭ=0. В этой точке , и, следовательно, мгновенное значение переменной составляющей . Результирующий ток в точке С равен сумме двух токов

(11.6)

Нагрузочная прямая переменного тока СД проходит под большим углом к оси напряжений, чем нагрузочная прямая постоянного тока АВ. Если сопротивление , то сопротивление по переменному току и обе нагрузочные прямые практически совпадают. Кроме выходных имеются также и входные динамические характеристики. Так как полевые транзисторы и электронные лампы в основном работают без входных токов, то для них входные динамические характеристики специально не строят.

У биполярных транзисторов в большинстве случаев сопротивление нагрузки переменному току намного меньше выходного сопротивления R_вых. В этом случае наличие нагрузки в выходной цепи, работающей практически в режиме короткого замыкания, не влияет на входное сопротивление транзистора, поэтому и в случае биполярного транзистора динамическая входная характеристика практически совпадает со статической.

На основе нагрузочной линии по переменному току произведем графический анализ работы биполярного транзистора в нагрузочном режиме (рис. 11.9).

Рис. 11.9. Зависимости, поясняющие работу транзистора в нагрузочном режиме

На вход схемы в точки база— эмиттер поданы напряжение смещения U_БЭ0 для выбора точки покоя М при данном напряжении U_КЭ0 и входное напряжение Под действием этого напряжения соответственно изменяются токи I_Б и I_К. Точку покоя переносим на входные характеристики транзистора и, зная и . определяем на нагрузочной прямой для переменного тока соответствующие им точки и . Проекции этих точек на ось U_КЭ позволяют соответственно определить напряжения и . Обратите внимание на то, что току соответствует напряжение , и току - .

Таким образом, при подаче на вход переменного напряжения сигнала меняется соответственно и ток , и напряжение . С помощью выходной нагрузочной линии (рис. 11.9) можно определить выходную мощность усиленного сигнала мощность, потребляемую от источника в режиме покоя:

.

Обратите внимание на то, что с ростом амплитуды входного сигнала увеличивается амплитуда тока , а амплитуда напряжения соответственно уменьшается, и в точке N транзистор входит в режим насыщения. Напомним, что в режиме насыщения оба перехода открыты, а это означает, что прямое входное напряжение на эмиттерном переходе по абсолютной величине превысило обратное напряжение и коллекторный переход тоже открылся. При подаче на вход биполярного транзистора, работающего в активном режиме, обратного напряжения, которое по абсолютной величине больше прямого напряжения смещения, эмиттерный переход закроется, и транзистор попадает в режим отсечки.

Таким образом, работа усилителя на биполярном транзисторе ограничена в двух точках — в точках N транзистор входит в ре-жим насыщения, а в точке К — в режим отсечки.