Раздел 1.2.5 Расчет характеристик усилительного каскада

(Лекция 8, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Работа активных элементов с нагрузкой

2. Построение нагрузочной характеристики

3. Графоаналитический метод расчета характеристик усилительного каскада

1.2.10 Работа активных элементов с нагрузкой

При работе активного элемента в аппаратуре связи или радиотехнических устройствах на управляющий электрод подается входной сигнал. Изменение этого сигнала приводит к изменению тока в выходной цепи активного элемента. Чтобы использовать изменение выходного тока, в выходную цепь активного элемента всегда включается нагрузка. В качестве нагрузки могут быть активное сопротивление (резистор), колебательный контур, трансформатор. Выходной ток, протекая по нагрузке, создает на ней падение напряжения, которое вычитается из напряжения источника питания. В связи с этим величина выходного тока зависит от одновременного изменения напряжения на управляющем и выходном электродах активного -элемента.

Для анализа работы активного элемента с нагрузкой, кроме статических характеристик, используется нагрузочная. Она представляет собой геометрическое место точек приложения составляющих токов и напряжений входной или выходной цепей соответственно, которым соответствуют возможные значения режима работы усилительного каскада.

Методика построения нагрузочной характеристики не зависит от типа активного элемента. Рассмотрим ее построение на примере усилительного каскада с общим эмиттером. При включении нагрузки в коллекторную цепь транзистора изменение тока коллектора определяется совместным воздействием изменений входного тока базы и напряжения в выходной коллекторной цепи.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

(2.26)

т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения коллектор – эмиттер транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как

Выражение (2.26) является математическим описанием прямой линии, его называют уравнением нагрузочной прямой, которая строится на семействе статических выходных характеристик (рис.1.23, а).

Рисунок 1.23 Графический анализ работы усилительного

каскада с нагрузкой в режиме классаА

Построение линии нагрузки по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка А: ) и короткого замыкания (точка А: ). Наклон линии нагрузки определяется сопротивлением резистора , поэтому характеристику, можно провести под углом

Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (2.26) для данных сопротивления нагрузки , напряжения питания и различных значений входного тока. Выбрав на входной характеристике значение тока покоя базы и определив точку пересечения соответствующей выходной характеристики, снятой при с нагрузочной прямой, определяем режим по постоянному току выходной цепи — точка О( ). Для получения наибольшей амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя размещалась посередине его линии нагрузки. При этом режим ограничения будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения, каскад будет работать с минимальными нелинейными искажениями (режим класса А).

У биполярных транзисторов, кроме нагрузочной характеристики, используется входная, получаемая методом перенесения точек пересечения выходной нагрузочной характеристики на семейство входных характеристик.

Однако для многих транзисторов характерно слабое влияние коллекторного напряжения на входной ток. Это проявляется в очень незначительных смещениях входных статических характеристик при изменениях коллекторного напряжения, в связи с чем семейство входных статических характеристик представлено лишь двумя из них, снятыми при напряжении ( ) и

при номинальном напряжении на коллекторе. Поэтому нагрузочная входная характеристика в этом случае сливается со статической, снятой при ( ) (рис. 1.23, а).

Для определения переменных составляющих тока и напряжения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току. Для переменного тока источник питания, сопротивление разделительного конденсатора практически не оказывают никакого сопротивления. Поэтому для сопротивления резисторов и соединены параллельно и образуют сопротивление нагрузки транзистора по переменному току

(2.27)

Анализ выражения (2.27) показывает, что сопротивление нагрузки усилительного каскада по постоянному току больше, чем по переменному току .

При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих. При увеличении мгновенное напряжение на коллекторе уменьшится и его приращение будет равно

(2.28)

Линия нагрузки по переменному току, угол наклона которой равен , проходит через точку покоя (точка О).

Если во входную (базовую) цепь каскада подается входное напряжение амплитудой , то рабочая точка на входной нагрузочной характеристике будет перемещаться вверх, в точку 1 при положительной полуволне входного сигнала, и вниз, в точку 2 при отрицательной полуволне входного сигнала. В базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока базы , которая вызывает появление переменной составляющей тока коллектора . Это вызывает перемещение рабочей точки по выходной нагрузочной характеристике вверх при положительной полуволне входного сигнала ( уменьшается) и вниз при отрицательной полуволне ( возрастает). Таким образом, схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° (схема инвертирует входной сигнал).

Для получения минимальных искажений необходимо, чтобы рабочая точка не заходила при перемещении вверх в область нелинейных участков ВАХ (транзистор из активного режима может переходить в режим насыщения), а при перемещении вниз – в область начальных токов (область отсечки) .

Графический расчет, кроме того, позволяет определить следующие параметры:

входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению коэффициент

Усиления по току

коэффициент усиления по мощности