ЛекцииСАиЦУ_ФКП

При комплексной нагрузке, например, при резистивно–ёмкостном её характере между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги, в результате чего PT в процессе усиления сигналов перемещается на плоскости выходных ВАХ транзистора не по линии, а по контуру, называемому траекторией движения рабочей точки. Конфигурация этой траектории зависит от формы сигнала, его интенсивности и скорости изменения во времени, а также от степени отклонения характера нагрузки от резистивного.

Рис. 2.7.

На рис. 2.7. приведена траектория движения PT для случая, когда на транзисторный каскад с резистивно-емкостной нагрузкой (нагрузка состоит из параллельного соединения резистора RН и конденсатора CН) воздействует прямоугольный импульс тока IБ. Полярность импульса такова, что его воздействие на транзистор вызывает увеличение тока на выходе. В момент воздействия сигнала PT начинает свое движение из точки а, последовательно проходя участки а – б, б – в, в – г и г – а, при этом участки а – б и в – г при идеальном по быстрому действию транзисторе она проходит практически мгновенно. Прохождение участка б – в происходит за время установления фронта выходного импульса, а г – а — среза. Постоянная времени этих про-

цессов установления τф ≈ RН CН. Резистивная составляющая RН нагрузки оп-

ределяет положение точек а и в траектории (нагрузочная характеристика, отвечающая резистору RН, отмечена на рис. 2.7. штриховой линией).

43

Проведенное рассмотрение показывает, что при комплексной нагрузке PT может существенно отличаться от нагрузочной характеристики, что в ряде случаев может приводить к ее выходу за пределы области безопасной работы и перегрузке выходной цепи по току (при емкостном характере нагрузки), напряжению (при индуктивном) и по току и напряжению (при индуктивно – ёмкостном).

В целях предотвращения выхода из строя транзисторов в цепь нагрузки часто включают специальные элементы нагрузки, такие как диоды, стабилитроны, варисторы.

2.3. Критерии выбора положения исходной рабочей точки

Исходная PT определяет режим работы каскада на постоянном токе. Её положение в каскаде на биполярном транзисторе задается током коллектора IК0 и разностью потенциалов коллектор – эммитер UКЭ0, а в каскаде на полевом транзисторе — током стока IС 0 и разностью потенциалов сток – исток UСИ 0. В условиях, когда в схеме заданы напряжение источника питания En и сопротивление RН, включенное в выходную цепь транзистора на постоянном токе, положение ИPT однозначно характеризуется значением тока IК 0 или IС 0 , так как вторая координата UКЭ 0 или UСИ 0 в этих условиях может

При выборе значений тока IК0 или IС0 и напряжения UКЭ0 или UСИ0 следует учитывать ряд обстоятельств.

В каскадах усиления слабых сигналов, т.е. в условиях, когда сигнальные изменения IВЫХ выходного тока IВЫХ составляют лишь его небольшую часть, значение начального тока IК0 или IС0 выбирают главным образом в результате компромисса между возможностью получения хороших усилитель-

ных свойств, с одной стороны, и малых токопотребления и мощности Рt, вы-

сокой стабильности и определенности режима работы каскада на постоянном

44

токе, с другой. При этом считается, что увеличение токов IК 0 и IС 0 улучшает усилительные свойства транзистора, но при этом оно вызывает рост его вход-

ной и выходной проводимостей и токопотребления, а также мощности Pt,

выделяемой в транзисторе в виде тепла, так как

Pt= UКЭ0 IК0; Pt= UСИ0 IС0. (2.4)

Большие токи IК0 и IС0 желательны с точки зрения уменьшения влияния факторов, дестабилизирующих работу каскада на постоянном токе. С этой точки зрения необходимо, чтобы в каскаде на биполярном транзисторе выполнялось условие IК 0 >> IОК h21Э, где IОК — неуправляемый ток обратносмещенного p-n перехода; h21Э — номинальное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с заземленным эмиттером.

Если к усилителю малых сигналов не предъявляются какие-либо специальные требования, то значение токов IК0 и IС0 выбирают в интервале 0,5...5мА. Исключения составляют случаи построения так называемых микромощных усилителей, где токи IК 0 и IС 0 могут достигать десятка микроампер и менее.

Увеличение разности потенциалов между выходными зажимами транзистора, например за счет увеличения напряжения источника питания, улучшает частотные свойства каскада, так как при этом уменьшаются паразитные емкости p-n переходов, и в первую очередь проходные ёмкости коллектор – база и сток – затвор. Но следует иметь в виду, что при больших UКЭ 0 и UСИ 0

приближающихся к предельно допустимым значениям UКЭ max и UСИ max, воз-

никает вероятность выхода транзистора из строя из-за возникновения электрического пробоя в его структуре. Кроме того, увеличение напряжений UКЭ0

и UСИ0 приводит согласно (2.4) к увеличению мощности Pt и соответственно,

к необходимости применения в каскаде транзистора с повышенной предель-

но допустимой мощностью рассеяния Pt max.

45

Такие транзисторы обладают большими габаритами, повышенной стоимостью, имеют худшие характеристики по быстродействию и ряду других параметров.

При малых напряжениях UКЭ0 и UСИ0 ИPT приближается к линии насыщения (к линиям 1 на рис. 2.1. и 2.2.) вследствие чего в каскаде могут возникать нелинейные искажения. В связи с этим в каскадах усиления рекомендуется обеспечивать значения напряжений UКЭ 0 и UСИ 0 не ниже напряжения определяемого соотношением

где Um max — наибольшее из возможных сигнальных изменений напряжения на выходе, направленных на уменьшение разности потенциалов UКЭ0 и UСИ0 .

Входящие в (2.5) напряжение UНАЧ max должно соответствовать наи-

большему из возможных значений выходного тока.

При усилении сигналов большой интенсивности часто необходимо обеспечить возможность получения на выходе каскада предельных сигналь-

ных изменений тока и напряжения, соизмеримых с IВЫХ max и UВЫХ max. В ука-

занных условиях выбор положения ИPT осуществляют с учетом полярности сигнала и его формы. При этом, когда ожидаемые сигнальные изменения тока на выходе транзистора двунаправлены, т.е. имеют как положительные, так и отрицательные приращения, например, соответствуют синусоидальному закону, то ИPT располагают в середине усилительной области таким образом, чтобы

Вэтом случае обеспечивают возможность получения выходного тока

инапряжения с амплитудами Im и Um, достигающими предельных значений

(рис. 2.8,а)

46

токопотребления, если подлежащие усилению в нем сигналы имеют положительную полярность.

При выборе ИPT следует также руководствоваться необходимостью обеспечения безотказной работы усилительных схем. С этой точки зрения требуется, чтобы в процессе усиления сигналов PT, и в первую очередь ИPT, не выходили за границы области безопасной работы, т.е. в каскаде выполнялись условия IВЫХ 0 < IВЫХ max , UВЫХ 0 < UВЫХ max , а положение ИPT удовлетворяло условию IВЫХ0 · UВЫХ 0 ≤ Pt max (ИPT находилась бы в пределах не заштрихованных на рис. 2.1. и 2.2. областей).

При выборе положения ИPT следует также иметь в виду, что мощность Pt = IВЫХ 0 · UВЫХ 0 имеет наибольшее значение при UВЫХ 0 = EП /2 (при

IВЫХ 0 = EП / 2RН-).

2.4 Условия получения наибольшей мощности сигнала в выходной цепи усилительного прибора

Рассмотрим условия, при которых усилительный прибор (УП) работающий в режиме А, способен создать во внешней по отношению к нему резистивной цепи наибольшую сигнальную мощность, под которой будем понимать Р~= IВЫХ UВЫХ, где IВЫХ, UВЫХ — сигнальные изменения выходного тока и напряжения.

Воспользоваться геометрической интерпретацией последнего соотношения, представив правую часть его как удвоенное значение площади прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является нагрузочная характеристика по переменному току, а в роли катетов выступает ток IВЫХ и напряжение UВЫХ. Этот треугольник называется треугольником мощности.

Чем больше площадь треугольника мощности, тем большую мощ-

ность Р~ отдает транзистор во внешнюю цепь. С точки же зрения неискажен-

ного воспроизведения сигнала протяженность и положение отрезков IВЫХ и

48

UВЫХ должно приходиться на усилительную область выходных характеристик УП.

Рис. 2.9.

Из сказанного следует, что для того чтобы определить условия, при которых транзистор обеспечивает наибольшее значение мощности Р~ без вы-

хода РТ за пределы усилительной области ВАХ, необходимо вписать в эту область треугольник мощности с наибольшей площадью, например, как это показано на рис. 2.9..

Гипотенуза этого треугольника может пересекать линию ограничений по предельно допустимой мощности Pt max при условии, что ИРТ лежит ниже этой линии, а РТ выходит за пределы указанной границы в процессе усиления лишь на небольшие отрезки времени, как это, например, наблюдается при усилении коротких импульсных сигналов, следующих с большой скважностью. Угол наклона гипотенузы треугольника мощности с наибольшей площадью определяет оптимальное значение сопротивления нагрузки на пе-

ременном токе R~орt . При этом значении нагрузки УП способен выделить во внешнюю цепь наибольшую сигнальную мощность P~ .

Следует отметить, что значение R~орt обычно не совпадает с тем, ко-

торое вытекает из условия равенства сопротивлений нагрузки и источника. Таким образом, ограничения по увеличению площади треугольника мощно-

сти и соответственно по возможностям получения больших мощностей Pt

49

связаны с тем, что реальные УП имеют ограничения по току, напряжению и мощности.

В условиях отсутствия ограничений по мощности Pt в качестве фор-

мулы для оценки R~орt может быть использовано соотношение:

R~орt=UВЫХ.max −UНАЧ.max (2.7) IВЫХ.max

Пример 2.1. Определить какую наибольшую мощность P~ и при каких условиях можно получить от транзистора, у которого IК max = 0.3A;

UКЭmax = 30В.

Транзистор работает в режиме А, а подлежащие усилению сигналы имеют синусоидальную форму.

Решение 1. В соответствии с (2.6) для обеспечения полного использования транзистора по току при усилении сигналов синусоидальной формы необходимо, чтобы

3. В соответствии с (2.1) вычисляем значение напряжения UНАЧ max ,

соответствующее наибольшему значению IКmax ,тока коллектора IК :

UНАЧ max = rНАС · IКmax = 10 · 0.3 = 3В.

50

4. Согласно (2.6) для обеспечения полного использования транзистора по напряжению при усилении сигналов синусоидальной формы необходимо, чтобы

U КЭ 0 ≈ U КЭ.max +2U НАЧ.max = 302+3 =16.5B,

при этом транзистор обеспечивает возможность получения сигнального напряжения амплитудой

Um.max ≈ U КЭ.max −2U НАЧ.max = 302−3 =13.5B,

5.Вычисляем искомое значение мощности P~

P~ = Im max · Um.max = 0.15 · 13.5 ≈ 2Вт.

Такую мощность способен отдать транзистор в резистивную нагрузку, если она имеет оптимальное значение, которое согласно (2.7) в нашем случае равно

рис. 2.6,а должен иметь трансформатор для того, чтобы при сопротивлении нагрузки RН= 8 Ом, подключенной к его вторичной обмотке w2, он обеспечивал требуемое в рассмотренном примере 2.1. случае оптимальное значение

51

Глава 3. Работа усилительных каскадов в режиме малого сигнала

3.1. Критерии и особенности малосигнального режима работы транзистора

Считается, что транзистор работает в малосигнальном или линейном режиме, если в процессе работы не проявляется влияние нелинейности его ВАХ. Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое значение в нём сигнальных составляющих выходных токов IВЫХ и напряжений UВЫХ по сравнению с их значениями IВЫХ 0 и UВЫХ 0 в ИРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами исполь-

где IВЫХ, UВЫХ – наибольшие отклонения выходного тока и потенциала от их значений IВЫХ 0 и UВЫХ 0 в ИРТ.

Обычно влияние нелинейности ВАХ транзистора становится заметным, когда какой-либо из этих коэффициентов превышает 0,2 … 0,3.

При малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаимозависимости между его токами и напряжениями определяются постоянными коэффициентами, не зависящими от уровня сигналов. Эти коэффициенты называются малосигнальными параметрами. Существует ряд систем параметров. Дальнейшее рассмотрение будем осуществлять в основном на базе системы Y–параметров. В этой системе параметры имеют размерность проводимости, а зависимость токов транзистора от приложенных к нему напряжений определяется системой уравнений

I ВХ =Y11 U ВХ +Y12 U ВЫХ

I ВЫХ =Y 21 U ВХ +Y 22 U ВЫХ

гдеI ВХ , I ВЫХ , U ВХ , U ВЫХ – комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений;

52