- •10.Правила определения значений исходных параметров и петлевой передачи в схеме с обратной связью
- •9.Структурная схема усилительного тракта с однопетлевой обратной связью
- •11.Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилительного тракта
- •1.Коэффициент усиления
- •2.Сквозная передаточная характеристика
- •3.Принципы построения и работы аналоговых электронных устройств.
- •8.Каскады усиления переменного сигнала
- •4.Выходные характеристики транзистора. Рабочая точка и графический способ определения ее положения.
- •6.Малосигнальный режим. Малосигнальные параметры транзисторов и их применения при оценки свойств усилительного звена.
- •5.Принципы и схемы обеспечения заданного положения ирт
- •7. Свойства транзистора и усилительных каскадов при наличии двухполюсника в общем проводе.
4.Выходные характеристики транзистора. Рабочая точка и графический способ определения ее положения.
Наибольшее представление о протекающих в усилительном каскаде процессах дает анализ его работы, проведенный с помощью вольт-амперных характеристик усилительного прибора. Основной характеристикой, используемой при этом анализе, является его выходная ВАХ, представляющая собой зависимость выходного тока Iвых от выходного напряжения uвых. При построении графиков этих характеристик входное воздействие, представленное в виде входного тока Iвх тока или напряжения uвх, выступает в качестве параметра, а сам транзистор рассматривается в широком диапазоне изменений токов и напряжений как безынерционная нелинейная цепь.
На рис. приведена выходная характеристика биполярного транзистора, соответствующая наиболее частому его использованию в усилительных каскадах, когда в качестве выходного тока используется ток коллектора Iк, а в качестве выходного напряжения — разность потенциалов uк_э между коллектором и эмиттером. Ток базы Iб при построении этих характеристик выступает в роли параметра. Линиями 1 и 2 отмечены границы активной (управляемой) области характеристик.
Работу УП в составе АЭЗ можно интерпретировать как процес управления протеканием тока IВЬ|Х в выходной цепи с помощь изменений входного тока Iвх или входного напряжения UBX . В процессе указанного управления значения токов напряжений в АЭЗ непрерывно изменяются. Точка плоскости выходных или других ВАХ усилительного прибора, связывающая текущие значения токов и напряжений в АЭЗ, называется рабоче точкой (РТ). Рабочая точка, соответствующая отсутствию сигналь ных воздействий, называется исходной рабочей точкой (ИРТ). В дальнейшем значения токов и напряжений, отвечающих ИРТ, буде отмечать дополнительным индексом «О». Так, значение коллекторного тока, соответствующее ИРТ, будем обозначать как Iк0, значение разности потенциалов между коллектором и эмиттером в этой точке — uк_э0.
Только при линейной (пропорциональной) зависимости значений ΔIВЬ|Х от ΔIВХ или ΔUВХ возможно неискаженное воспроизведение усиливаемо сигнала на выходе АЭЗ при его работе на линейную резистивную нагрузку. Косвенным признаком условий неискажающей работ УП в составе усилительного каскада является равномерное распределение графиков на координатной плоскости выходных ВАХ представленных на рис.Указанное услови выполняется лишь в ограниченной области значений токов и на пряжений. Область выходных ВАХ УП, где это условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется областью усиления. Протяженность этой области ограничена с одно стороны так называемой линией насыщения (линией 1), а с другой — линией отсечки (линией 2). При значениях тока коллектора, соответствующих областям ВАХ, лежащим левее линии / и ниже линии 2, не только нарушается пропорциональная (линейная) зависимость выходных сигнальных приращений от входных, но вообще прекращется управляющее воздействие входного сигнала на выходной ток.
Считается, что УП работает в режиме усиления, если в процессе усиления РТ не соприкасается с линиями насыщения и сечки. Первое из этих условий выполняется, если в процессе усилсния выходное напряжение на УП не опускается ниже, чем некоторое начальное значение Uнач.
Область возможных предельных значений выходного тока и напряжения ограничена необходимостью выполнения ряда условий, вытекающих из требования обеспечения надежной и безопасной работы усилительного прибора в схеме. В качестве параметров, определяющих эти ограничения, выступают паспортные данные на транзистор о предельно допустимых значениях выходного тока Iвыхmах и выходного напряжения Uвыхmах, а также максимальной тепловой мощности ptmax, которую способен выделить (рассеять) транзистор.
При отсутствии сигнала (или малой его интенсивности, когда ΔIВЬ1Х «IВЬ1Х0) в коллекторно-эмиттерной структуре транзистора выделяется тепловая мощность Рt значение которой определяется исходными значениями выходного тока IВЬ|х0 и выходной разности потенциалов Uвых0:
Можно выделить область выходных ВАХ, в пределах которой значения выходного тока Iвых, выходного напряжения UВыХ на транзисторе и Рt тепловой мощности не выходят из допустимых пределов, т.е. выполняются условия Iвых < Iвыхmах, ивых < Uвыхmах и Рt <Рtmax На рис.границы этой области выделены штриховкой. В пределах области, границы которой выделены штриховкой, ни один из предельно допустимых значений параметров не превышается, поэтому эту область называют областью безопасной работы (ОБР). Следует отметить, что кратковременно превышение мощности Рt допустимо, если время этого превышения существенно меньше тепловой постоянной времени транзистора.
Значение тока в этой цепи и распределение напряжения источника питания между нагрузкой и транзистором при данном значении входного тока /б0 или входного напряжения Uк_эо удобно определить по методу пересечения ВАХ элементов, входящих в указанную последовательную цепь. Построение графиков осуществляется на плоскости выходных характеристик транзистора в соответствии с соотношением
Uк_эо = Еп - Uн, где UH — падение напряжения на сопротивлении нагрузки.
При этом в качестве ВАХ транзистора используется характеристика, соответствующая данному входному току Iб0.Это Соотношение указывает, что для определения местоположения ИРТ на плоскости выходной ВАХ транзистора по координате Uk0 необходимо выполнить следующие построения:
• на плоскости выходных ВАХ транзистора из точки с координатой Еп построить ВАХ нагрузки с зеркальным ее отображением относительно оси токов (отсюда и второе название метода — метод опрокинутой вольт-амперной характеристики);
• из семейства ВАХ транзистора выделить характеристику, соответствующую данному входному току Iб0;
• точка пересечения рассматриваемых ВАХ и «опрокинутой» ВАХ нагрузки определит как значение тока Iк0, так и распределение разности потенциалов Еп между транзистором и нагрузкой.
Значение тока в этой цепи и распределение напряжения источника питания между нагрузкой и транзистором при данном значении входного тока /б0 или входного напряжения Uк_эо удобно определить по методу пересечения ВАХ элементов, входящих в указанную последовательную цепь. Построение графиков осуществляется на плоскости выходных характеристик транзистора в соответствии с соотношением
Uк_эо = Еп - Uн, где UH — падение напряжения на сопротивлении нагрузки.При этом в качестве ВАХ транзистора используется характеристика, соответствующая данному входному току Iб0.Это Соотношение указывает, что для определения местоположения ИРТ на плоскости выходной ВАХ транзистора по координате Uk0 необходимо выполнить следующие построения:
• на плоскости выходных ВАХ транзистора из точки с координатой Еп построить ВАХ нагрузки с зеркальным ее отображением относительно оси токов (отсюда и второе название метода — метод опрокинутой вольт-амперной характеристики);
• из семейства ВАХ транзистора выделить характеристику, соответствующую данному входному току Iб0;
• точка пересечения рассматриваемых ВАХ и «опрокинутой» ВАХ нагрузки определит как значение тока Iк0, так и распределение разности потенциалов Еп между транзистором и нагрузкой.
Пример рассмотренных построений для схемы рис.
приведен на рис. 2
.
Построения соответствуют начальному базовому току Iб0 = 50 мкА. Они выполнены для случая, когда напряжение питания ЕП = 10 В, а в качестве нагрузки использован линейный двухполюсник с сопротивлением RH = 1 кОм. График ВАХ этой нпгрузки приведен на рис. 2.. Построения предполагают, что в схеме применен транзистор с коэффициентом усиления по току h21э=Iк0/Iб0 = 80.
Рассмотрим работу транзистора при появлении во входной (управляющей) цепи сигнальных изменений, представленных в виде тока ΔIб. Появление на входе сигнального тока ΔIб изменяет ход ВAX транзистора. В результате этого точка пересечения графиков ВАХ занимает новое положение, определяя сигнальные изменения ΔIки ΔUк-э коллекторного тока и разности потенциалов коллектор—эмиттер.
Часто двухполюсник нагрузки RH имеет нелинейный характер, например с ВАХ, отображенной на рис. 2.4, а.
Построения, направленные на определение положения ИРТ при нагрузке нелинейного типа, отображены на рис. 2.4, б.. Построения осуществлены в соответствии с методом опрокинутой нагрузочной характеристики и вытекающим из него следующим правилом: для того чтобы с помощью графических построений определить положение ИРТ, необходимо в соответствии с соотношением (*) на плоскости выходных характеристик усилительного прибора построить график ВАХ нагрузки, совместив начало его координат с точкой UK-э =Еп,Iк = 0и изменить направление оси напряжений этого графика на противоположное. Точка пересечения построенного таким образом графика с графиком текущей выходной ВАХ усилительного прибора определит текущее положение РТ.
Нагрузочная характеристика и траектория движения рабочей точки
В процессе воздействия сигналов на входные зажимы усилительного прибора значения токов и потенциалов в каскаде изменяются, а РТ занимает различные положения. Линия на плоскости выходных ВАХ, по которой движется РТ в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора, называется нагрузочной линией (линией нагрузки), или нагрузочной характеристикой.
В соответствии с соотношением (*) следует , что при резистивной 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. При этом в случае линейной нагрузки в качестве нагрузочной характеристики выступает прямая линия.
На рис 2.7 приведена траектория движения РТ для случая, когда на иход транзисторного каскада с резистивно-емкостной нагрузкой (нагрузка состоит из параллельного соединения резистора RH и конденсатора Сн) воздействует прямоугольный импульс тока ΔIб положительного (втекающего) направления. В процессе воздействия сигнала и после его окончания РТ движется из точки а и последовательно проходит участки а—б, б—в, в—г и г—а. Рассмотрим элемент траектории этого движения при идеальном по быстродействию транзисторе. В момент воздействия на вход транзистора сигнального импульса происходит мгновенный скачок его коллекторного тока при неизменном выходном напряжении. Эта Неизменность обусловлена наличием в схеме конденсатора Сн, шунтирующего выход транзистора и препятствующего мгновенным изменениям выходной разности потенциалов UK-э. В результате РТ участок а — б проходит практически мгновенно.
Время прохождения участка б— в определяется временем перезарядки конденсатора Сн через внешнюю по отношению к нему резистивную цепь. В качестве основного компонента этой цепи пмпупает резистор RH, поэтому за постоянную времени перезарядки конденсатора можно принять τ = CHRH. В условиях, когда мнительность сигнального импульса существенно больше постоянной времени τ, РТ к моменту окончания сигнального импульса оказывается в точке в момент окончания скачком перемещается из в в г. После окончания импульса РТ возвращается по линии г—а в исходное положение (в точку а), при этом постоянная времени переходного процесса определяется значением постоянной времени τ. Резистивная составляющая RH нагрузки определяетположение точек а и в траектории (нагрузочная характеристика отвечающая резистору RH, отмечена на рис. 2.7 штриховой линии ей). При комплексной нагрузке РТ может существенно отклоняться от нагрузочной линии. Данное обстоятельство в ряде случаев может приводить к выходу РТ за пределы области безопасной работы, вызывая перегрузку транзистора по току (при емкостном характере нагрузки), напряжению (при индуктивном) или по току и напряжению (при индуктивно-емкостном). В целях предотвращения выхода из строя транзисторов в цепь нагрузки часто включают специальные элементы защиты, такие как диоды, стабилитроны,варисторы