2.7 Построение динамической переходной характеристики

для режима переменного тока

Динамическая переходная характеристика для режима переменного тока строится по точкам пересечения только что построенной нагрузочной прямой для переменного тока с выходными статическими характеристиками. Принцип построения этой характеристики аналогичен построению динамической переходной характеристики для режима постоянного тока (п. 4).

Как правило, на большей части линейного участка обе переходные характеристики совпадают или достаточно близки по расположению, однако асимптоты (линии, к которым приближаются характеристики в верхней части), могут существенно различаться.

2.8 Определение напряжений и токов транзисторного

усилительного каскада графоаналитическим методом

На графиках всех характеристик, начиная со входной, приводятся временные диаграммы соответствующих сигналов (см. рисунок 2).

Построение всех временных зависимостей параметров транзистора в режиме усиления входного сигнала осуществляется по единому правилу.

– ось времени проводится перпендикулярно к оси отображаемого параметра на линии, проходящей через начальную рабочую точку;

• ось изменений параметра проводится параллельно оси параметра основного графика, при этом её положительное направление выбирается исходя из направления оси основного графика: если эта ось положительная, то направления осей совпадают, если отрицательная, то противоположно.

Примеры построения временных диаграмм приведены на рисунке 2.

а) Построение временной диаграммы u_ВХ = f (t).

Эта диаграмма предшествует всем другим, поскольку u_ВХ – заданный параметр.

Диаграмма строится в левом нижнем квадранте в соответствии с приведенными выше правилами. В осях, проведенных как указано выше, строится график одного периода входного синусоидального сигнала. При этом масштаб диаграммы по оси u_ВХ совпадает с масштабом оси U_БЭ основного графика. Положительная полуволна откладывается в соответствии с положительным направлением оси u_ВХ (на рисунке 2 оно противоположно отрицательному направлению оси U_БЭ основного графика). Масштаб графика по оси времени произволен и должен сохраниться при построении остальных временных диаграмм.

На этой временной диаграмме график изменения сигнала на входе усилительного каскада (перед разделительным конденсатором С_Р1) u_ВХ =f(t) представлен заштрихованной синусоидой.

При отсутствии входного сигнала (u_ВХ = 0) состояние транзистора определяется напряжением смещения U_БЭ = U_{БЭ о} = U_R2 – U_RЭ = const, обеспечивающем работу каскада в классе А².

При воздействии входного сигнала график изменения напряжения U_БЭ представляет собой алгебраическую сумму постоянной составляющей U_{БЭ о} и переменной составляющей u_ВХ. Во время положительного полупериода u_ВХ результирующей является разность между постоянной составляющей –U_{БЭ о} и переменной составляющей + u_ВХ (в нашем случае, когда ось U_БЭ отрицательна). Во время отрицательного полупериода u_ВХ эти две составляющие складываются.

График изменения напряжения –U_БЭ (после разделительного конденсатора С_Р1) при воздействии входного сигнала  u_ВХ представлен фигурой серого цвета.

б) Построение временных диаграмм i_Б = f(t), i_К = f(t), u_ВЫХ = f(t).

Все перечисленные диаграммы являются производными от только что построенной диаграммы u_ВХ = f (t). Они строятся в осях времени и соответствующего параметра, проведенных как указывалось выше. Общим для всех диаграмм является прохождение оси времени через начальную рабочую точку (точку покоя) Р. Точки максимального отклонения входного напряжения u_ВХ (в обе стороны от оси времени) проецируются на входную статическую характеристику и определяют соответствующие им максимальные отклонения тока базы I_Б относительно I_Бо (состояния при u_ВХ = 0).

Следует иметь в виду, что первая полуволна всех диаграмм определяется её положением на графике u_ВХ = f(t). Значит, двигаясь от начала этого графика к первому максимуму, на графике, например, i_Б = f(t) мы получим правильное направление оси времени и начало координат (на всех диаграммах процессы начинаются в одно время). На оси времени t откладывается один период Т = 1/f изменения сигнала i_Б (см. п. 8а). Масштаб оси диаграммы i_Б совпадает с масштабом оси I_Б основного графика.

Анализ данной диаграммы показывает, что при отсутствии входного сигнала (u_ВХ=0) базовый ток постоянен во времени и равен I_Б = I_Бо= const. Под действием входного сигнала базовый ток I _Б изменяется во времени. Изменение переменной составляющей тока базы под действием входного сигнала представлено на временной диаграмме i_Б = f(t) заштрихованной фигурой. Ввиду некоторой нелинейности выбранного участка входной характеристики амплитудные значения изменения переменной составляющей тока базы I_Бm1  I_Бm2. Суммарное изменение тока I_Б = I_Бо  i_Б через базовый электрод под воздействием входного сигнала u_ВХ представлено фигурой серого цвета.

Рассуждая аналогично необходимо построить временные диаграммы i_К = f(t), u_ВЫХ = f(t).

После построения временных диаграмм необходимо снять с графиков и привести амплитудные значения переменных составляющих токов и напряжений сигналов: U_ВХm; I_Бm; I_Кm; U_ВЫХm. При неравенстве амплитудных значений переменных составляющих в положительном и отрицательном полупериодах необходимо записать большую из них.

2.9 Расчет значения сопротивлений резисторов R1 и R2 входного

делителя напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 предназначен для смещения транзистора VT фиксированным напряжением, снимаемым с резистора R2. Для того, чтобы это напряжение было “фиксированным” и не зависело от внешних факторов (изменения температуры, изменения свойств транзистора из-за его старения), влияющих на электрическую цепь, включенную параллельно резистору R2 (куда входит и эмиттерно-базовый переход транзистора), сопротивление этой цепи должно быть значительно больше сопротивления R2.

Вспомните правила последовательного и параллельного включения сопротивлений. При параллельном включении их общее сопротивления будет меньше меньшего из них и определяется именно этим сопротивлением. В нашем случае это резистор R2. Очевидно, что ток в каждой из параллельных ветвей будет зависеть от ее сопротивления и в цепи R2 (а значит и в цепи всего делителя напряжения R1, R2) будет больше, чем в параллельной ей цепи тока базы транзистора, сопротивление которой больше.

Приведенные выше соображения положены в основу вычисления величин сопротивлений делителя напряжения R1 и R2, которое выполняется при условии:

I_Д = (5...7) I_Бо. (9)

Тогда, принимая во внимание, что по закону Кирхгофа

U_R2= U_БЭо + U_RЭо = I_ДR₂, (10)

где U_БЭо – снимается с графика, а U_RЭо=I_КоR_Э, находим

R₂= U_R2 / I_Д = (U_БЭо +U_RЭо) / I_Д . (11)

Учитывая, что через резистор R1 протекают и ток делителя I_Д и ток базы I_Бо, запишем для него выражение:

R₁=U_R1 / (I_Д+I_Бо).

Но U_R1=E_K – U_R2. Тогда

R₁= (E_K –U_R2) /(I_Д+I_Бо). (12)

2.10 Расчет значений емкостей разделительных конденсаторов

Разделительный конденсатор С_Р1 отделяет переменную составляющую от постоянной (С_Р2 аналогичен для следующего каскада усиления) и является верхним плечом делителя входного переменного напряжения u_ВХ. Нижним плечом этого делителя является входное сопротивление каскада R_ВХ, которое для переменной составляющей входного сигнала определяется параллельно включенными резисторами R2 и R1 (верхняя точка R1 замыкается на “землю” через малое сопротивление источника питания Е_К) и сопротивлением R_{ВХ VT} = U_ВХm /I_Бm транзистора. Сопротивление резистора R_Э во внимание не принимают, т.к. на частоте сигнала оно шунтировано малым емкостным сопротивлением конденсатора С_Э (см. ниже).

Очевидно, что R2 > R_ВХ (R2 | | R1 | | R_{ВХ VT}), т.к. здесь действует правило параллельного соединения: R_ВХ меньше меньшего, а из трёх сопротивлений R2 - меньшее. Поэтому в расчетах элементов этого делителя напряжения, как правило, используют параметр R_ВХ каскада. Однако, учитывая, что обычно R1 >> R2 и R_ВХ при этом незначительно отличается от R2, можно для простоты считать нижним плечом входного делителя резистор R2.

Напомним обобщенное уравнение делителя напряжения:

(13)

Мы видим, что именно нижнее плечо (по отношению к верхнему) определяет результат деления. В нашем случае это резистор R2 и поскольку именно на нём формируется результат деления, который должен быть наибольшим, нужно стремиться уменьшить сопротивление верхнего плеча (из (13) видно, что при R_ВЕРХ = 0 выходное напряжение делителя наибольшее U_ВЫХ = U_ВХ). Следовательно, емкостное сопротивление разделительного конденсатора С_Р1 должно быть малым (по сравнению с R2).

Обычно величины емкостей разделительных конденсаторов С_Р1 и С_Р2 на входе и выходе усилительного каскада принимаются равными С_Р1=С_Р1= С_Р. Их значения определяются из соотношения:

Х_Ср  0,1 R₂, (14)

где Х_Ср = 1/(2 f C_р ) – емкостное сопротивление разделительного конденсатора, Ом (при f – Гц и С_р – Ф).

Для оценки погрешности применения R2 вместо R_ВХ каскада необходимо произвести расчет R_ВХ каскада, используя правило параллельного соединения (R2 | | R1 | | R_{ВХ VT}), и, если погрешность превысит 10 %, пересчитать значение емкости разделительных конденсаторов в соответствии с выражением (14), где вместо R2 взять R_ВХ каскада.

2.11 Расчет значения емкости конденсатора С_Э

Шунтирующий конденсатор С_Э предназначен для устранения (уменьшения) отрицательной обратной связи, возникающей на резисторе R_Э при наличии входного переменного напряжения u_ВХ. Эта обратная связь уменьшает коэффициент усиления каскада на частоте входного сигнала и может быть нежелательна. Именно, чтобы отвести от резистора R_Э переменную составляющую тока коллектора (считаем i_Э  i_к) и ставится этот конденсатор.

Очевидно, что чем меньше емкостное сопротивление этого конденсатора, тем лучше по нему отводится от R_Э переменная составляющая тока коллектора. Исходя из этих соображений обычно принимают

Х_Сэ  0,1R_Э, (15)

где Х_Сэ = 1/(2 f C_Э) – емкостное сопротивление шунтирующего конденсатора, Ом (при f – Гц и С_Э – Ф).

2.12 Выбор номинальных значений сопротивлений,

рассчитанных резисторов и емкостей конденсаторов.

Полученные в результате расчетов значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов необходимо нормализовать с соответствии с прилагаемой таблицей номиналов, полагая применение в схеме элементов II группы с точностью  10 % (приложение Д).

2.13 Расчет коэффициента полезного действия каскада

Коэффициент полезного действия каскада определяется из

 = Р_Кm / Р_К  100 %, (16)

где Р_Кm = 1/(2U_ВЫХmI_Кm.) – полезная мощность, передаваемая усилительным каскадом в нагрузку (представляет собой площадь треугольника, см. рисунок 4);

Р_К = Р_Ко + Р_Кm – мощность, потребляемая усилительным каскадом от источника питания;

Р_Ко = U_КЭоI_Ко  затраченная (бесполезно) мощность в режиме u_ВХ = 0 (представляет собой площадь прямоугольника под точкой А).

Должно соблюдаться условие Р_Ко < Р_К._ДОП Значение Р_{К ДОП} для заданного транзистора приводится в приложении Г.

Рисунок 4 – Графическое пояснение к определению к.п.д. усилительного каскада

2.14 Расчет коэффициентов усиления каскада

Коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности вычисляются как отношения амплитуд выходных значений указанных параметров к входным:

К_U = U_{ВЫХ m} / U_{ВХ m} ; К_I = ~I_{К m} / ~I_{Б m}; К_Р = К_U · К_I. (17)

Величины U_ВХm , U_ВЫХm , I_{К m} , I_{Б m} получены при анализе работы усилительного каскада графоаналитическим методом (рисунок 2).