3.4. Нагрузочные характеристики и оптимизация выбора рабочей точки по

постоянному току

При работе активного элемента токи и напряжения на его зажимах

изменяются, и рабочая точка перемещается по статическим характеристикам.

35

^RК ^RН=

Линия, по которой движется рабочая точка на выходной характеристике,

называется нагрузочной характеристикой.

Нагрузочные характеристики позволяют графически проиллюстрировать работу усилительного каскада. Нагрузочные характеристики или выходные динамические характеристики (ДХ) – это прямые линии, которые в координатах выходной ток и выходное напряжение соответствуют уравнениям,

выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада по постоянному и переменному току.

Проиллюстрируем работу транзистора с помощью упрощенной схемы каскада по схеме ОЭ (рис. 3.8).

Рис.3.8. Схема включения биполярного транзистора с ОЭ

Для схемы на рис. 3.8 справедливы следующие соотношения между токами и напряжениями:

EБ	U БЭ	I Б RГ,	(3.13)
ЕК U КЭ	U RК	U КЭ I K RК,	(3.14)

здесь Е_К Е_П – напряжение источника питания, E_Б Е_см – напряжение

смещения, – сопротивление коллектора является нагрузкой

транзистора.

При увеличении напряжения на базе E_Б происходит увеличение тока базы

I_Б и транзистор дополнительно открывается. Это приводит к увеличению тока коллектора I_К и падению большего напряжения на сопротивлении R_К . Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ снижается. Увеличение I_К и

36

снижение U_КЭ соответствует движению рабочей точки влево вверх на

выходных характеристиках (рис. 4.5): E_Б I _Б I _К I _К R_К U_КЭ.

При уменьшении напряжения на базе E_Б происходит уменьшение тока базы I_Б и транзистор частично закрывается. Это приводит к уменьшению тока коллектора I_К и уменьшению напряжения на сопротивлении R_К . Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ увеличивается. Уменьшение I_К

и увеличение U_КЭ соответствует движению рабочей точки вправо вниз на выходных характеристиках (рис. 3.5): E_Б I _Б I _К I _К R_К U_КЭ.

Нагрузочная прямая по постоянному току характеризует работу усилителя на постоянном токе (рис. 3.9).

Построение нагрузочной прямой по постоянному току:

• на оси абсцисс откладываем напряжение питания – U _КЭ E_К ,

• проводим прямую через рабочую точку и точку на оси абсцисс с координатой U _КЭ E_К ,

• на оси ординат координата пересечения с нагрузочной прямой по

постоянному току будет I_К ^EК .

^RК

37

Рис.3.9. Нагрузочные прямые по постоянному (R_Н= ) и переменному ( R_Н~ ) токам

• режиме покоя напряжение U_БЭ0 составляет сотни мВ (обычно 0,5…0,8

• для кремниевых транзисторов). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы I_Б и

транзистор будет дополнительно открываться. Это приведет к увеличению тока коллектора I_К . В результате напряжение на сопротивлении нагрузки R_К

возрастет, а напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения.

При подаче на вход отрицательной полуволны синусоидального сигнала будет уменьшаться ток базы I_Б и транзистор будет частично закрывается. Это приведет к уменьшению тока коллектора I_К . В результате падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_К уменьшится, а напряжение коллектор-эмиттер

U_КЭ увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180^о.

При подаче на вход переменного сигнала ток коллектора будет колебаться около исходной рабочей точки.

38

Нагрузочная прямая по переменному току характеризует работу усилительного каскада в режиме усиления сигнала переменного тока и проводится следующим образом:

откладывается точка,соответствующая пересечению максимума амплитудывыходного сигнала, отложенной от нормали к рабочей точке –

U _КЭ0 U_Вых , и статической характеристики, соответствующей минимальному току базы;

• эта точка соединяется с рабочей точкой транзистора,

• полученная прямая пересечёт ось абсцисс в точке – U _КЭ0 I_К0 R_Н~.

Рис.3.10. Усилительный каскад по схеме с ОЭ

Нагрузка рассматриваемого каскада (рис.3.10) по постоянному и переменному току различны, поскольку по переменному току шину земли и шину питания можно считать короткозамкнутыми. Соответственно сопротивление коллекторной нагрузки по переменному току будет определяться следующим образом: R_Н~ R_к || R_н.

Из схемы усилительного каскада по схеме с ОЭ (рис.3.10) видно, что дополнительный запас по усилению обеспечивается выбором сопротивления эмиттера R_Э, которое по постоянному току будет увеличивать общее сопротивление в цепи коллектор-эмиттер – R_Н= R_К R_Э , и тем самым увеличит разницу между нагрузочными прямыми. По переменному току ёмкость эмиттера C_Э будет шунтировать сопротивление эмиттера R_Э.

39

Разница между точками пересечения оси абсцисс нагрузочными прямыми по переменному и постоянному токам называется запас усилителя по усилению

– U U _П U_Вых ( U U _П 2 U_Вых если гармонический сигнал). При правильном проектировании усилителя запас по усилению необходимо ограничивать величиной не более 4-5 В.

При усилении гармонического сигнала следует выбирать рабочую точку в середине линейной части статических характеристик (р.т.1 на рис.3.11). Для усиления импульсных сигналов можно выбирать рабочую точку на границе линейной области или даже в нелинейной области (р.т.2 и р.т.3 на рис.3.11),

поскольку в этом случае можно получить наибольший размах выходного напряжения и, следовательно, наибольшее значение КПД. Однако усилитель становиться узкоспециализированным – усилитель однополярных импульсных сигналов и при этом требуется обеспечение высокой стабильности рабочей точки.

IК

IБ3

р.т.2

IБ2

IБ1

р.т.1

р.т.3

UКЭ max UКЭ

Рис.3.11. Выбор рабочей точки при различных видах сигнала

При уменьшении амплитуды входного сигнала, что имеет место в каскадах предварительного усиления, нагрузочная прямая по переменному току будет более вертикальной. Следовательно, использование мощного транзистора для усиления слабого сигнала приведет к уменьшению эффективности его работы,

т.е. снижению КПД.

При анализе усилительных каскадов часто используют сквозную

(проходную) динамическую характеристику (рис.3.12), которая представляет

40

собой зависимость выходного эффекта I_К от входного воздействия

U _Вх U _БЭ I _Б R_Г .

Рис.3.12. Сквозная (проходная) характеристика

Сквозная характеристика показывает, как изменение входного воздействия

сказывается на выходном токе каскада.

Контрольные вопросы

15. Какая схема включения транзистора обеспечивает усиление по току? а) Общий эмиттер.

б) Общий коллектор. в) Общая база.

г) Общий эмиттер и общая база.

д) Общий коллектор и общий эмиттер. е) Общая база и общий коллектор.

15. Какие из указанных зависимостей являются статическими характеристиками? а) I _Вых U_Вх при изменении в качестве параметра I_Вх .

б) I _Вых U_Вх при изменении в качестве параметра U_Вх . в) I _Вх U_Вых при изменении в качестве параметра U_Вых . г) I _Вх U_Вх при изменении в качестве параметра U_Вых . д) I _Вх U_Вх при изменении в качестве параметра I_Вых . е) U _Вых U_Вх при изменении в качестве параметра I_Вх .

15. Что называется нагрузочной характеристикой?

а) Это прямая линия, которая в координатах входной ток – входное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада.

41

б) Это линия, которая в координатах выходной ток – выходное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада.

в) Это линия, которая в координатах выходной ток – выходное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями токов и напряжений в цепи обратной связи.

г) Это линия, которая в координатах входное напряжение – выходное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями напряжений на входе и выходе каскада.

д) Это линия, которая в координатах выходной ток – выходное напряжение ограничивает область в которой транзистор сохраняет способность к усилению входного сигнала.

18. Какое сопротивление обеспечивает дополнительный запас по усилению? а) Сопротивление в цепи базы.

б) Сопротивление в цепи коллектора. в) Сопротивление в цепи эмиттера. г) Сопротивление нагрузки.

д) Сопротивление базового делителя.

18. В какой точке пересекает ось абсцисс нагрузочная прямая по постоянному току? а) Напряжение смещения.

б) Напряжение питания.

в) Напряжение питания плюс напряжение смещения. г) Выходное напряжение.

д) Выходное напряжение плюс напряжение питания.

4. Классы работы усилительных каскадов

• зависимости от положения рабочей точки (р.т.) на сквозной характеристике различают 4 основных класса работы усилителей: A, B, C и D.

Рис.4.1. Положение рабочей точки в зависимости от класса работы усилителя

42