Амплитудная характеристика каскада

Рассмотрим работу каскада при усилении сигнала конечной амплитуды. Анализ можно провести графически, либо с использованием модели Эберса-Молла. Для примера проведем анализ каскада ОЭ.

Рис. 1.3. Графический анализ для определения положния рабочей точки: а – на входной характеристике транзистора; б – на семействе выходных характеристик

При графическом анализе необходимо воспользоваться семейством выходных и входных характеристик транзистора (рис. 1.3).

В соответствии с уравнением Е_К = I_КR_К + U_КЭ + I_ЭR_Э, на семействе выходных характеристик транзистора проведена линия статической нагрузки R_ст = R_К+R_Э. Линия динамической нагрузки соответствует соотношению R_Н'= R_К ||R_Н и проходит через рабочую точку I_К⁰. На входной характеристике (рис. 1.3, а) найдена рабочая точка (ток базы), соответствующая току покоя транзистора. Относительно этой точки и рассматривается изменение входного сигнала DE_Г.

Оценка усилительных свойств каскада проводится путем нахождения связи между DU_ВЫХ и DЕ_Г:

DЕ_Г ® DU_БЭ ® DI_Б ® DI_К ® DU_ВЫХ (Рис. 1.3, а, б).

Необходимо учитывать, что рабочая точка перемещается по линии динамической нагрузки R_Н'.

При малых приращениях DЕ_Г ожидаются малые приращения DU_ВЫХ (рис. 1.4), и линейная связь между ними – DU_ВЫХ/DЕ_Г=K_U близка к величине, определяемой при использовании малосигнальных схем замещения каскада.

При больших уровнях сигнала рабочая точка может попадать в область отсечки или насыщения, возникают существенные нелинейные искажения сигнала. Для примера на рис. 1.5 приведены построения, аналогичные рис.1.3 для трех рабочих токов (I_К⁰₁, I_К⁰_ОПТ, I_К⁰₂). Вид возникающих искажений зависит от величины рабочего тока каскада, и можно подобрать такой ток I⁰_{К ОПТ}, когда ограничения амплитуды, определяемые отсечкой, будут возникать одновременно с ограничениями, связанными с насыщением транзистора (I_К⁰_ОПТ, рис. 1.5) . Это определяет максимальную неискаженную амплитуду выходного сигнала U_mm. Из геометрических построений (рис. 1.5) в пренебрежении U_КЭН получаем

U_mm = E_К /(1 + R_ст / R_Н'), (1.13, а)

I_{К ОПТ} = (Е_К – U_mm) / R_ст. (1.13, б)

Если ток покоя меньше I⁰_{К ОПТ} (I_К⁰₁, рис.1,5) , то ограничения наступают в результате попадания транзистора в отсечку, а если больше — в насыщение (I_К⁰₂, рис.1,5). Вычисление амплитуд, при которых возникают искажения, представляет геометрическую задачу. Так в случае отсечки – U_{ВЫХ ОГР m} = I_К⁰R_Н', а в случае насыщения – U_{ВЫХ ОГР m} = (I_КН – I_К⁰)R_ст..

Рис.1.5. Графические построения для оценки связи амплитудных возможностей (амплитудных ограничений) каскада с положением рабочей точки транзистора

Появление существенных нелинейных искажений приводит к изменению наклона в амплитудной характеристике каскада при U_{ВЫХ ОГР} (см. рис. 1.4).