03 Анализ работы усил каскада. Методическое пособие по курсу схемотехника аналоговых электронных устройств Часть Анализ работы усилительного каскада с помощью вольтамперных характеристик его элементов

• Название: Методическое пособие по курсу схемотехника аналоговых электронных устройств Часть Анализ работы усилительного каскада с помощью вольтамперных характеристик его элементов
• Дата: 05.12.2019
• Размер: 1.01 Mb.
• Имя файла: 03 Анализ работы усил каскада.doc
• Тип: Методическое пособие; #98772
• страница: 3 из 8

3.3. Нагрузочная характеристика и траектория движения рабочей точки

В процессе подачи входных воздействий на вход усилительного прибора происходит изменение токов и напряжений в каскаде усилителя. Соответственно РТ также не стоит на месте. Рабочая точка, в зависимости от вида нагрузочного элемента усилительного прибора, движется по плоскости выходных ВАХ транзистора, определяя траекторию движения РТ. Здесь следует отметить, что линия на плоскости выходных ВАХ транзистора, по которой движется РТ в процессе воздействия сигналов на вход усилительного прибора, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой.

Если в качестве нагрузки используется постоянный резистор, то при изменении токов в схеме, токи, протекающие через этот резистор, и напряжения, падающие на нем при данных токах, прямо-пропорциональны, а нагрузочная характеристика представляет собой прямую линию. На рис. 3.6,а приведен пример подобного каскада.


Рис.3.6

При сигнальном воздействии на вход усилительного прибора происходит изменение и выходного тока Iк0 Iк0 относительно тока коллектора в рабочей точке Iк0. При этом Iк0 преобразуется iвых. Выходной ток участвует в формировании выходного напряжения Uвых. При этом в формировании Uвых участвует не только Rн, но и другие цепи и элементы. Так, с целью передачи с выхода N-го усилительного каскада переменной составляющей сигнала на вход N + 1 - каскада, включают разделительный конденсатор Ср (Рис. 3.6,6), который не влияет на работу каскадов усиления по постоянному току, но пропускает переменную составляющую сигнала. Величину емкости конденсатора выбирают достаточно большой, соответственно с реактивным сопротивлением этого конденсатора можно не считаться и при анализе каскадов усилителя по переменному току эту емкость заменить простой закороткой (Рис. 3.6,в).

Как известно, при подготовке электрической схемы к ее анализу на постоянном токе, из схемы исключаются все конденсаторы. При анализе же схемы на переменном токе все разделительные и блокировочные конденсаторы закорачиваются (заменяются накоротко замкнутыми цепями). Все источники постоянного напряжения заземляются, так как на внешних зажимах этих источников отсутствуют сигнальные напряжения. Тогда схема (рис. 3.6,б) при ее анализе на переменном токе приводится к виду (рис. 3.6,в). Соответственно выходной сигнальный ток iвых протекает через параллельно включенные нагрузочный резистор Rн и входное сопротивление последующего каскада RвхN+1. ВАХ этого соединения представляет собой эквивалентное сопротивление нагрузки Rэкв, которое определяет характер преобразования сигнального тока iвых в сигнальное напряжение Uвых. Тогда ее можно рассматривать как нагрузочную характеристику транзистора на переменном токе. В общем случае под нагрузочной характеристикой на переменном токе понимается ВАХ цепи, представляющей собой полное сопротивление, включенное между выходной клеммой транзистора и точкой нулевого потенциала.

Так как обычно нагрузочную характеристику на переменном токе рассматривают только при резистивном характере нагрузки, соответственно график этой характеристики в отличие от траектории РТ имеет вид не замкнутого контура, а сплошной линии.

На рис. 3.6,б приведена схема усилителя, в которой сопротивление нагрузки на постоянном токе Rн больше сопротивления нагрузки на переменном токе Zн (Rн_> Zн). Это характерно для чисто резистивных нагрузок. На рис. 3.7,а приведена принципиальная схема, в которой Rн_> Zн. На рис. 3.7,б приведены графические построения применительно к этой схеме.

В этой схеме на постоянном токе сопротивление первичной обмотки трансформатора близко к нулю. Соответственно, нагрузочная прямая перпендикулярна оси Uкэ и опирается на точку Еп. Точка пересечения этой прямой с ВАХ транзистора определяет начальный базовый ток, которому соответствует ИРТ и Iк0. Нагрузочная же прямая на переменном токе для этого каскада определяется сопротивлением Zн, которое выражается в виде:



где: 1, 2 — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно; тр— КПД трансформатора; Rн — сопротивление нагрузки, подключенное ко вторичной обмотке трансформатора.



Рис.3.7.
В схеме, в которой сопротивление нагрузки подключается к транзистору через трансформатор, напряжение между коллектором и эмиттером может превышать напряжение источника питания (рис. 3.7,б). Выбирая транзистор для усилительного каскада, это необходимо учитывать, т.е. транзистор должен обладать достаточным .

При комплексной нагрузке (рис. 3.8,а), например, при резистивно-емкостном ее характере между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги. В результате этого РТ на плоскости ВАХ транзистора перемещается не по линии, а по контуру (Рис. 3.8,б).



рис.2.7.
Для этого случая Rн и Сн соединены параллельно. При воздействии сигнала в виде прямоугольного импульса на базу транзистора происходит резкое изменение базового тока Iб. Его полярность такая, что он вызывает резкое увеличение коллекторного тока транзистора. В момент действия импульса базового тока РТ из точки а почти мгновенно перемещается в точку б, а затем по участку бв, перемещается существенно медленнее, и преодолевает этот участок за время установления фронта выходного импульса. Участок вгРТ проходит также достаточно быстро. Участок же га РТ проходит за время спада фронта импульса, где постоянная времени нарастания и спада фронтов импульса равна: = RнСн. При этом величина Rн определяет положение точек а и б на траектории движения РТ (нагрузочная характеристика).

Проведенное рассмотрение перемещения РТ показывает, что при комплексной нагрузке, РТ может существенно отклоняться от нагрузочной характеристики. Это в ряде случаев может приводить к ее выходу за пределы области безопасной работы транзистора и перегрузке выходной цепи:

- по току (емкостной характер нагрузки) (рис. 3.8,а);

- по напряжению (индуктивный и индуктивно-емкостной характеры нагрузки) (рис. 3.7).

С целью защиты транзисторов от пробоя в их выходную цепь часто включают диоды, стабилитроны, варисторы, которые препятствуют, например, резкому росту напряжения и соответственно исключают пробой транзистора.

3.4. Критерии выбора положение исходной рабочей точки

Исходная рабочая точка (ИРТ) однозначно определяет режим работы каскада на постоянном токе. Ее положение для биполярного транзистора задается током коллектора Iк0 и разностью потенциалов Uкэ0, а для полевого транзистора током стока Ic0 и разностью потенциалов Uси0. В этом случае, когда в схеме заданы величины Еп и Rн, положение ИРТ на постоянном токе определяется Iк0 и Ic0, a вторая координата может быть однозначно определена согласно соотношений:

Uкэ0 = Еп – Iк0*Rн; Uси0 = Еп – Iс0*Rн.

При известных Еп, Rн и Uкэ0 (Uси0) можно определить ток коллектора (стока) транзистора в ИРТ:

Iк0 = (Еп – Uкэ0)/Rн; Ic0 = (Еп – Uси0)/Rн;

Однако при выборе Iк0(Ic0) и Uкэ0(Uси0) необходимо учитывать обстоятельства, связанные с усилением малых или больших сигналов. В каскадах усиления малых сигналов сигнальные изменения Iвых выходного тока iвых составляет лишь его небольшую часть. В этом случае величины Iк0 и Ic0 выбирают, исходя из следующих противоречивых требований:

- высокое усиление;

- малое потребление тока и мощности;

- высокая стабильность и определенности режимов работы каскада на постоянном токе.

Увеличение Iк0 и Ic0 позволяет улучшить усилительные свойства каскадов, за счет снижения величин сопротивлений нагрузки и соответствия уменьшения постоянных времени выходных узлов усилительных каскадов. При увеличении Iк0 и Ic0 снижается влияние дестабилизирующих факторов на работу каскадов усилителей на постоянном токе. Соответственно можно улучшить стабильность и определенность параметров усилительного каскада. С этой точки зрения считается, что для биполярного транзистора при выборе положения РТ должно выполняться условие:

Iк0 >> I0к*,

где: I0к - неуправляемый ток обратно смещенного р-n-перехода;  — номинальное значение коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Однако при увеличении тока коллектора биполярного транзистора или тока стока полевого транзистора возрастает потребляемая мощность и мощность, выделяемая на транзисторе в виде тепла (Pt), так как:

Pt = Iк0*Uкэ0; Pt = Iс0*Uси0.

Обычно, если к усилителям малых сигналов не предъявляются специальные требования, то Iк0 и Ic0 выбираются в диапазоне 0,5 ... 5 мА. В маломощных усилителях эти токи могут достигать величии десятков мкА и менее.