1325-Electrotechnica_lab

90

Это соотношение, являющееся уравнением прямой (в общем случае, при реактивной или нелинейной нагрузке это уравнение будет нелинейным) и определяет связь между током и напряжением коллектора при наличии

нагрузки; оно представляет собой уравнение нагрузки IK = (UKЭ) при сопротивлении нагрузки, равном R. График, построенный по уравнению нагрузки, называют нагрузочной характеристикой. Нанесем нагрузочную характеристику на семейство выходных характеристик транзистора (см. рисунок 4.5). Для этого найдем две точки, через которые проходит нагрузочная прямая,

приравнивая поочередно нулю напряжение UKЭ и ток IK коллектора. Из

Рисунок 4.5 – Семейство выходных вольт-амперных характеристик

Точка пересечения нагрузочной характеристики IK = (UKЭ) с той или иной выходной характеристикой транзистора IK = f(UKЭ) при IБ = const называется рабочей точкой: она характеризуется тремя координатами (IK, UKЭ, IБ), т.е. определяет коллекторный ток IK и напряжение коллектора UKЭ при данном токе базы IБ (напомним, что здесь в качестве примера рассматривает-

91

ся включение транзистора по схеме с общим эмиттером, в схеме с общей ба-

зой третьей координатой будет ток эмиттера IЭ).

Транзистор, к которому подключена нагрузка, условимся для краткости называть нагруженным транзистором. Входная характеристика нагруженного транзистора будет иной, чем у ненагруженного, поскольку при ее снятии напряжение коллектора изменяется. Данную характеристику можно построить с помощью семейства входных характеристик ненагруженного транзи-

стора IБ = f(UБЭ) при UKЭ = const (рисунок 4.6). Для этого следует перенести сюда точки (UKЭ, IБ) пересечения выходных характеристик с нагрузочной (см. рисунок 4.5): так, при UKЭ = –4 В ток базы IБ = 100 мкА (точка В), при

UKЭ = –8 В ток базы IБ = 60 мкА (точка А) и т.д. Соединяя эти точки плавной кривой, получим входную характеристику нагруженного транзистора; она идет более круто, чем у ненагруженного: при включении нагрузки входная проводимость транзистора возрастает.

Рисунок 4.6 – Семейство входных вольт-амперных характеристик

Режим линейного усиления. Режим усиления, при котором форма выходного колебания соответствует форме входного колебания, называют ре-

жимом линейного или неискаженного усиления (режимом А).

Для получения неискаженного усиления необходимо использовать ли-

92

нейный участок характеристик транзистора, на котором изменения выходных и входных токов и напряжений в достаточной мере пропорциональны. При нарушении этого условия недопустимо искажается форма выходного колебания.

В транзисторах искажения возникают в значительной мере за счет нелинейности входных характеристик, а также вследствие нелинейности выходных характеристик. Выбор области неискаженного усиления целесообразно начинать с входных характеристик, выделив на них участок, который с требуемой степенью точности можно считать линейным (рисунок 4.6). Исходную рабочую точку А выберем посередине этого участка, для чего во

входной цепи транзистора с помощью источника напряжения БЭ (см. рисунок 4.3) должен быть создан постоянный ток смещения IСМ. Допустимая ам-

плитуда входного тока должна удовлетворять неравенству ImБ < IСМ. Как видно из характеристик, в рассматриваемом примере она может достигать

значения ImБ = 60 – 20 = 40 мкА. Затем по выходным характеристикам (см. рисунок 4.5) проверяют, сохраняется ли при изменении тока базы в выбранных пределах пропорциональность изменения тока коллектора.

Максимальная выходная мощность. Мощность, затрачиваемая ис-

точником сигнала на входе,

На выходных характеристиках (см. рисунок 4.5) точки С и В соответствуют границам линейного участка. При амплитудном значении тока на вхо-

де ImБ амплитудное значение тока на выходе равно ImК, а амплитудное значе-

ние напряжения на нагрузке UmR = UmК. Выходная мощность:

Она пропорциональна площади треугольника ABD или АЕС. Так как

монотонно возрастает в некоторых пределах при увеличении сопротивления нагрузки R. Однако из-за шунтирующего действия выходной емкости транзистора и низкого полного сопротивления входной цепи следующей усилительной ступени возможности значительного увеличения сопротивления нагрузки ограничены.

Возможности увеличения выходной мощности за счет использования большей амплитуды колебаний на входе (ImБ и UmБ) ограничиваются нели-

93

нейностью входных характеристик транзистора.

Максимальная выходная мощность транзистора зависит также от допустимых значений тока ImК и напряжения UmК.

Если не принимать во внимание уровень искажений при усилении, то максимальное значение переменной составляющей коллекторного тока ImК

личина предельного тока коллектора обусловливается допустимым снижением коэффициента передачи тока при высоких уровнях инжекции.

Максимальное значение переменной составляющей коллекторного напряжения UmКmax ограничивается максимально допустимым напряжением

Выходная мощность РВЫХ составляет определенную долю мощности,

расходуемой источником питания коллекторной цепи: Р0 = I0 КЭ. Отношение этих мощностей называют коэффициентом полезного действия по коллекторной цепи:

он зависит от отношений ImК/I0 и UmК/ КЭ. В режиме неискаженного усиле-

ния коэффициент полезного действия менее 0.25, поскольку всегда ImК < I0, а

1

U mК 2 КЭ .

Остальная часть мощности Р0, отдаваемой источником питания, расходуется на бесполезный нагрев транзистора. Ее называют рассеиваемой мощностью. Поскольку в транзисторной структуре наибольшим электрическим сопротивлением обладает обратно смещенный коллекторный переход, именно в нем рассеиваемая мощность превращается в тепло. Итак, рассеиваемая мощность коллектора:

PК = P0 – PВЫХ = (1 – )P0.

В режиме линейного усиления она превышает 0.75Р0. По этой причине выходная мощность транзистора РВЫХ max ограничивается максимально допустимой рассеиваемой мощностью РК max:

На семействе выходных характеристик транзистора (рисунок 4.7) отмечены границы допустимых режимов, определяющие максимально допустимую выходную мощность транзистора. Граница, определяемая максимально допустимой рассеиваемой мощностью, изображается гиперболой:

а границы по току и напряжению – горизонтальной и вертикальной прямыми IК пред = const и UКЭmax = const соответственно. Снизу область ограничена характеристикой минимального тока коллектора IКЭ U IКБ0.

Выше Температура окр. среды Ниже Хуже Охлаждение Лучше

Рисунок 4.7 – Линия максимально допустимой рассеиваемой мощности

95

4.4 Пример расчета усилительного каскада

Требуется провести графо-аналитический расчет рабочего режима транзистора КТ3102А, включенного в усилительный каскад по схеме с общим эмиттером. Необходимо также рассчитать цепи смещения усилительного кас-

када. Известно, что постоянная составляющая тока базы IБ0 = 250 мкА, амплитуда переменной составляющей тока базы ImБ = 50 мкА, сопротивление

нагрузки RН = 125 Ом, напряжение питания транзистора EП = 10 В. Схема усилительного каскада представлена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

Построение семейства выходных статических вольт-амперных характеристик (ВАХ).

Согласно справочным данным [2] предельно допустимый постоянный ток коллектора транзистора КТ3102А IК max = 100 мА; предельно допустимая

рассеиваемая мощность коллектора равна PК max = 250 мВт.

Для построения семейства выходных ВАХ воспользуемся схемой включения, изображенной на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 – Схема включения для снятия выходных ВАХ

96

Пределы варьирования источника напряжения V1 от 0 до 10 В с шагом 0.1 В. Источник тока I1 принимает три фиксированных значения, соответ-

ствующих (IБ0 – ImБ), IБ0, (IБ0 + ImБ). Для этого в диалоговом окне DC Analysis Limits в списке Method для второй переменной необходимо выбрать параметр List. Затем в строке ввода Range вводятся три фиксированных значения: 200u,250u,300u (200 мкА, 250 мкА, 300 мкА). Более подробно этапы построения семейств выходных ВАХ были рассмотрены в лабораторной работе №2.

На семействе выходных ВАХ построим линию максимально допустимой мощности, используя уравнение:

Построение линий максимально допустимой мощности было рассмотрено в методическом примере лабораторной работы №2.

На этом же графике нанесем линию нагрузки (нагрузочную характеристику). Уравнение линии нагрузки для схемы с общим эмиттером (см. пункт 4.3) есть прямая:

Найдем точки пересечения прямой с осями координат. При IК = 0 име-

ем UКЭ = EП = 10 В; при UКЭ = 0 имеем IК = EП /RН = 10 В/125 Ом = 0.08 А = 80 мА. Получили две точки с координатами А(0; 80 мА) и В(10 В; 0). Извест-

но [4], что уравнение прямой, проходящей через две заданные точки, есть:

Подставив координаты точек и сделав преобразования, получим уравнение линии нагрузки для данного случая:

IК = –0.008 UКЭ + 0.08.

По правилам записи выражений в MicroCAP (см. Приложение 1) при построении линии нагрузки необходимо в столбце Y Expression указать:

–8m*VCE(VT1)+80m.

Результаты всех построений представлены на рисунке 4.10. Линия нагрузки лежит левее и ниже линии максимально допустимой рассеиваемой мощности, следовательно, режим работы транзистора КТ3102А при данной нагрузке и напряжении питания является допустимым. Для удобства расчета возле каждой из ветвей ВАХ с помощью команды Scope / Label Branches нанесено значение тока базы, при котором получена эта ветвь. Иногда после применения этой команды числовые значения не появляются. В этом случае следует повторить команду и в диалоговом окне Label Curves Branches вручную указать координату по оси абсцисс размещения числовых значений

(User selected location, X = ).

97

Рисунок 4.10 – Семейство выходных ВАХ, линия максимально допустимой рассеиваемой мощности и линия нагрузки

Графо-аналитический расчет по выходной ВАХ.

По условию известно, что IБ0 = 250 мкА; ImБ = 50 мкА. Рабочая точка транзистора – это пересечение линии нагрузки и ветви ВАХ, снятой при токе

базы IБ0 = 250 мкА (уровень постоянной составляющей). В режиме электрон-

Амплитуда переменной составляющей тока базы ImБ = 50 мкА, следовательно, необходимо найти точки пересечения линии нагрузки и ветвей

ВАХ, снятых при IБ = 250 50 мкА. В режиме электронного курсора нахо-

или

UmRн = UmКЭ = ImК RН = 7.6 10-3 125 = 0.95 В.

98

Заметим, что удвоенные значения (размах) ImК и UmRн отображены в столбце Delta в третьей и четвертой строках (рисунок 4.10, внизу).

Коэффициент усиления по току:

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи:

P0 = EП IК0 = 10 43 10-3 = 0.43 Вт. КПД коллекторной цепи:

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей кол-

лекторного тока:

PК0 = IК0 UКЭ0 = 43 10-3 4.6 0.198 Вт.

Заметим, что PК0 < PКmax – этот результат также подтверждает положение о допустимости режима работы транзистора.

Графо-аналитический расчет по входной ВАХ.

Для построения входной ВАХ при UКЭ = UКЭ0 = 4.6 В воспользуемся схемой включения, изображенной на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 – Схема включения для снятия входной ВАХ

Пределы варьирования источника напряжения V1 от 0.5 до 0.8 В с шагом 1 мВ. Более подробно этапы построения входных ВАХ были рассмотрены в лабораторной работе №2.

В режиме электронного курсора найдем координаты рабочей точки на входной характеристике (рисунок 4.12).

По условию известно, что IБ0 = 250 мкА, значит UБЭ0 0.78 В. Кроме

этого, необходимо определить координаты точек, соответствующие IБ = 250 50 мкА. В режиме электронного курсора находим, что левая точка имеет ко-

99

ординаты UБЭmin 0.775 В, IБmin = 200 мкА; правая точка имеет координаты

UБЭmax 0.791 В, IБmax = 300 мкА.

Рисунок 4.12 – Входная ВАХ при UКЭ = 4.6 В

Амплитуда входного напряжения:

Емкость разделительного конденсатора С1 определяется из условия:

где fН = 100 Гц – низшая рабочая частота.