ЛекцииСАиЦУ_ФКП

Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием исходной рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, Д транзистор работает с отсечкой тока.

33

Глава 2. Анализ работы каскада с помощью вольт-амперных характеристик его элементов

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

Представление о протекающих в усилительном каскаде процессах даёт анализ его работы, проведенный с помощью вольт-амперных характеристик ( ВАХ) усилительного прибора. Основной характеристикой, используемой при этом анализе, является его выходная ВАХ, представляющая зависи-

мости выходного тока IВЫХ от выходного напряжения UВЫХ. При построении графиков этих характеристик входное воздействие, представленное в виде входного тока IВХ или напряжения UВХ, выступает в качестве параметра.

На рис. 2.1. приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора, соответствующих наиболее частому его использованию в усилительных каскадах, когда в качестве выходного тока используется ток коллектора IК, а в качестве выходного напряжения — разность потенциалов UКЭ между коллектором и эмиттером. Ток базы IБ при построении этих характеристик выступает в роли параметра. Линиями 1 и 2 показаны границы активной (управляемой) области характеристик.

34

Выходные характеристики полевого транзистора рис. 2.2. во многом подобны характеристикам рис. 2.1., за исключением того, что в качестве выходного тока выступает ток стока IС, в качестве выходного напряжения — разность потенциалов сток-исток UСИ, а в роле параметра — напряжение за- твор-исток UЗИ.

Работу усилительного прибора в схеме можно интерпретировать как процесс управления протеканием тока IВЫХ с помощью изменений входного сигнала IВХ или UВХ. В процессе указанного управления значение токов и на-

пряжений в каскаде изменяются. Точка плоскости выходных или других ВАХ усилительного прибора, связывающая текущие значения токов и напряжений в каскаде, называется рабочей точкой (РТ). Рабочая точка, соответст-

вующая отсутствию сигнальных воздействий, называется исходной рабочей точкой (ИРТ). В дальнейшем обозначение токов и напряжений, соответствующие ИРТ, будем отмечать дополнительным индексом «0». Так значение коллекторного тока, соответствующее ИРТ, будет обозначаться как IК 0. Значение разности потенциалов между коллектором и эмиттером в этой точке — как UКЭ0 и т.д.

Взаимосвязь изменений IВЫХ тока IВЫХ от сигнальных изменений IВХ или UВХ входного тока IВХ или входного напряжения UВХ должно быть не только причинно-следственной, но и по возможности линейной. Только при линейной (пропорциональной) функциональной зависимости значений IВЫХ от IВХ или UВХ возможно неискажённое воспроизведение усиливаемого сигнала на выходе каскада при работе усилительного прибора на линейную резистивную нагрузку. Косвенным признаком возможности неискажающей работы усилительного прибора в усилительном каскаде является эквидистантность (равноудалённость) графиков семейств ВАХ, представленных на рис. 2.1. и 2.2.. Очевидно, что условие эквидистантности выполняется лишь в ограниченной области значений токов и напряжений. Область ВАХ усилительного прибора (УП), где указанное условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется усилительной областью. Протя-

35

жённость этой области ограничена с одной стороны так называемой линией насыщения (1 на рис. 2.1. и 2.2.), а с другой — линией отсечки (2 на рис. 2.1.

и 2.2.). При значениях тока коллектора, соответствующих областям выходных ВАХ, лежащим левее линии 1 и ниже линии 2, не только нарушается пропорциональная зависимость выходных сигнальных приращений от входных, но вообще прекращается управляющее воздействие входного сигнала на выходной ток, т.е. усилительный прибор полностью теряет усилительную способность.

Считается, что транзистор работает в усилительном режиме, если в процессе усиления РТ не соприкасается с линиями насыщения и отсечки.

Первое из этих условий выполняется, если в процессе усиления сигналов выходные напряжения UКЭ и UСИ имеют значения не ниже, чем некоторое начальное напряжение UНАЧ, характеризующее удаление линии насыщения от оси ординат при данном выходном токе IВЫХ. Значения этого напряжения для полевых транзисторов обычно лежат в пределах от долей вольт до (при малых значениях токов) до трёх-пяти (при IС , приближающихся к пре-

дельно допустимым значениям IС max).

Для биполярного транзистора оценку значения UНАЧ при токе коллектора Iк можно осуществить по формуле:

Напряжения, токи, а также цепи, обеспечивающие положение ИРТ в усилительной области, называются соответственно напряжениями, токами и цепями смещения. Напряжения и токи смещения часто также называют на-

чальными.

36

Область возможных значений выходного тока и напряжения ограничена необходимостью выполнения ряда условий, вытекающих из требований обеспечения надёжной и безопасной работы усилительного прибора в схеме.

В качестве параметров, определяющих эти ограничения, выступают паспортные данные на транзистор о предельно допустимых значениях вы-

ходного тока IВЫХ mах и выходного напряжения UВЫХ mах , а также тепловой мощности Pt mах, выделяемой в выходной цепи усилительного прибора.

При отсутствии сигнала, а также при малой его интенсивности (когда IВЫХ << IВЫХ 0 ) в выходной цени транзистора выделяется мощность:

Pt = UВЫХ 0 · IВЫХ 0, где UВЫХ 0, IВЫХ 0 — значения выходного напряжения и тока в ИPT. Таким образом, область безопасной работы (ОБР) – это область выходных ВАХ, в пределах которой выполняются условия

IВЫХ < IВЫХ max, UВЫХ <U ВЫХ max и Pt = IВЫХ 0 · UВЫХ 0 < Pmax. На рис. 2.1. и 2.2.

границы ОБР выделены штриховкой.

Вусилительном каскаде выходные зажимы транзистора, его нагрузка

иисточник питания образуют последовательную цепь. Значение тока в этой цепи и распределение напряжения источника питания между нагрузкой и транзистором, т.е. положение ИPT, удобно определить с помощью графиков ВАХ элементов, входящих в указанную последовательную цепь. Построение графиков осуществляется на плоскости выходных характеристик транзистора в соответствии с соотношением UВЫХ = EП – UН, где UН — падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Так, для схемы рис. 1.5,а:

положения ИPT для случая когда IБ0 = 50 мкА, а в каскаде в качестве нагрузки использован линейный резистор RН =1 кОм с ВАХ рис. 2.3,а приведены на рис. 2.3,б.

Точка пересечения ВАХ нагрузки и транзистора определяет, как значение тока IК 0, так и напряжения UКЭ 0. Приведенные на рис. 2.3,б по-

37

ход выходной ВАХ транзистора. В результате этого точка пересечения графиков ВАХ занимает новое положение, определяя сигнальные изменения IК и UКЭ коллекторного тока и разности потенциалов коллектор-эмиттер.

Аналоговый сигнал IБ (t) изменяется плавно и непрерывно. В ответ на такие изменения происходят плавные и непрерывные изменения положенияPT, в результате чего процесс усиления сигнала можно трактовать как процесс управления ходом выходной ВАХ транзистора, приводящей к изменениям положения рабочей точки и появлению сигнальных составляющих тока и напряжения на выходе усилительного каскада.

На рис. 2.4,б приведен пример графических построений, направленных на определение положения ИPT, для случая, когда в качестве нагрузки использован нелинейный двухполюсник с ВАХ рис. 2.4,а. Построения осуществлены в соответствии с (2.2) .

На основании проведенного рассмотрения может быть сформулировано следующее правило определения положения ИPT с помощью графических построений.

38

Рис. 2.4.

Чтобы определить положение ИPT, необходимо в соответствии с (2.2) на плоскости выходных характеристик усилительного прибора построить график ВАХ нагрузки, совместив начало его координат с точкой (UКЭ= EП, IК = 0) и изменив направление оси напряжений этого графика на противоположное. Точка пересечения графика, построенного таким образом, с графиком текущей выходной ВАХ усилительного прибора определит текущее положение PT.

2.2. Нагрузочная характеристика и траектория движения рабочей точки

В процессе воздействия сигналов на входные зажимы усилительного прибора значения токов и потенциалов в каскаде изменяются, а PT занимает различные положения. Линия на плоскости выходных ВАХ, по которой движется PT в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой. При ре-

зистивной нагрузке, когда взаимосвязь тока, протекающего через нагрузку, с создаваемой этим током разностью потенциалов однозначна (между изменениями тока и напряжения нет фазовых сдвигов и запаздываний), нагрузочная характеристика имеет вид линии, в качестве которой при линейной нагрузке выступает прямая линия.

39

Так, для схемы рис. 1.5,а в качестве нагрузочной характеристики на рис. 2.3,б выступает прямая линия, являющаяся графиком ВАХ сопротивления нагрузки RН.

При организации схемы усилительного каскада один из его эквипотенциальных (экви – равный) участков обычно присоединяется к точке нулевого потенциала. Такое подключение называется заземлением участка цепи, а, точка заземления — общей точкой. Следует отметить, что заземление одного из эквипотенциальных участков (одного из узлов) цепи не отражается на его работе. Обычно заземлению подвергается один из зажимов источника питания и один из выводов усилительного прибора.

На рис. 2.5,а приведён пример такого схемного построения, образованного на базе схемы рис. 1.5,а путём заземления в ней цепи эмиттера. Обычно в преобразовании выходного сигнального тока IК = iВЫХ в выходное сигнальное напряжение uВЫХ участвует не только двухполюсник RН, но и другие цепи.

Рис..22.5..5.

Так, с целью передачи с выхода рассматриваемого N-го каскада на вход следующего N+1-го каскада только переменной (сигнальной) составляющей в состав схемы включают так называемую разделительную цепь в качестве которой используется конденсатор СР (рис. 2.5,б). Конденсаторы,

используемые в схемах усиления для разделения двух смежных цепей по постоянному току, называются разделительными. Включение разделительно-

40

го конденсатора в состав схемы обеспечивает независимую работу на постоянном токе разделяемых конденсатором участков схемы. Емкость разделительного конденсатора обычно выбирается достаточно большой. В результате с сопротивлением разделительного конденсатора можно не считаться и при составлении эквивалентной схемы для переменного тока его можно заменить коротким замыканием.

При рассмотрении работы каскада на переменном токе используют так называемую эквивалентную схему каскада для переменного тока. При её составлении из схемы прототипа исключаются все разделительные и блокировочные конденсаторы (они замещаются накоротко замкнутыми цепями), а все источники постоянного напряжения заземляются, так как на внешних зажимах этих источников сигнальные потенциалы отсутствуют.

Эквивалентная схема каскада рис. 2.5,б для переменного тока приведена на рис. 2.5,в. В схеме выходной сигнальный ток iВЫХ транзистора проте-

кает через параллельное соединение резисторов RН и RВХ N+1.

ВАХ этого соединения, называемого эквивалентным сопротивлением RЭКВ нагрузки, определяет характер преобразования сигнального тока iВЫХ транзистора в сигнальное напряжение uВЫХ. Поэтому ее можно рассматривать как нагрузочную характеристику транзистора на переменном токе, а само параллельное соединение — как нагрузку транзистора на переменном токе. В общем случае под нагрузочной характеристикой на переменном токе понима-

ется ВАХ на переменном токе полного сопротивления, включенного между выходным зажимом (клеммой) транзистора и точкой нулевого потенциала. Обычно нагрузочную характеристику на переменном токе рассматривают только при резистивном характере нагрузки. Поэтому график этой характеристики в отличие от траектории рабочей точки имеет вид не замкнутого контура, а сплошной линии. В схеме на рис. 2.5,б соотношение между на-

грузками на переменном RН~ и постоянном RН- токах таково, что RН~< RН-.

Схема, в которой RН~ > RН- приведена на рис. 2.6,а , а графические построе-

41

ния, соответствующие проведению анализа ее работы на постоянном и переменном токах, — на рис. 2.6,б.

Рис..2.26.6.

Построение нагрузочной характеристики по постоянному току (RН-) осуществлено в предположении, что первичная обмотка трансформатора имеет пренебрежимо малое сопротивление на постоянном токе, поэтому график этой нагрузочной характеристики представлен вертикальной линией. Точка пересечения этой линии с ВАХ транзистора, соответствующей начальному базовому току IБ0, определяет положение ИPT.

Ход графика нагрузочной характеристики на переменном токе (RН~)

определяет сопротивление RН~ , численно равное сопротивлению нагрузки,

пересчитанному к выходу первичной w1 обмотки трансформатора, при этом:

RН~ = ( w1 )2 · ŋтр · RН, (2.3) w2

где w1,w2 — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;

ке трансформатора.

42