Расчет основных параметров усилительного каскада

В рабочем (динамическом) режиме, т.е. когда в выходную цепь транзистора включено сопротивление нагрузки, а на вход подается переменный сигнал, характеристики и параметры транзистора нельзя рассматривать вне связи со схемой.

В общем случае сопротивление нагрузки может быть реактивным, смешанным или чисто активным. Рассмотрим случай чисто активной нагрузки.

Характеристики и параметры транзистора, работающего в рабочем (динамическом) режиме, называют рабочими или динамическими.

Рабочие или динамические параметры транзистора связывают малые изменения токов и напряжений транзистора в динамическом режиме. Такими параметрами являются входные и выходные сопротивления, величина которых определяет условия согласования транзистора с источником сигнала и с нагрузкой, и коэффициенты усиления тока, напряжения и мощности. Каждый из этих параметров можно определить следующим образом:

1) Входное сопротивление – сопротивление входной цепи транзистора для переменного входного тока при R_н = 0

2) Выходное сопротивление – сопротивление выходной цепи транзистора для переменного выходного тока при R_н = 0

3) Динамический коэффициент усиления по току

4) Динамический коэффициент усиления по напряжению

5) Динамический коэффициент усиления по мощности

В случае усиления малых синусоидальных сигналов рабочие параметры можно определить как отношение амплитуд токов и напряжений.

Графическая зависимость между протекающими токами и приложенными напряжениями для транзистора, включенного в рабочую схему, определяется динами-ческими характеристиками. Так же, как и в статическом режиме, можно экспери-ментально снять или построить входные и выходные динамические характеристики.

Практически для того, чтобы произвести полный расчет динамического режима работы и рабочих параметров транзистора, необходимо иметь два семейства статических характеристик: входные и выходные, на которых должны быть построены входная и выходная динамические характеристики соответственно. Для построения выходной динамической характеристики на семействе статических выходных характеристик строится нагрузочная прямая

т.к. по закону Кирхгофа

где E_к – напряжение источника питания в выходной цепи, R_н – сопротивление нагрузки.

^,

то нагрузочная прямая может быть построена по двум точкам при условии, что известны значения Е_к и R_н:

1) I_вых = 0 при U_к = E_к,

2) U_к = 0, тогда

Точки пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками и определяют ход выходной динамической характеристики. Построение входной динамической характеристики на семействе входных статических характеристик может быть произведено либо с помощью уравнений (при известных E_к и R_н), либо путем переноса из построенной выходной динамической характеристики:

В последнем случае для точек пересечения динамической выходной характеристики со статическими определяются значения I_вх (для которого снята данная выходная статическая характеристика) и U_вых, полученные значения переносятся на семейство статических входных характеристик. Соединяя полученные точки плавной кривой, получают входную динамическую характеристику.

Построение выходной и входной динамических характеристик транзистора, включенного с ОБ, показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6 Построение динамических характеристик усилителя   Для некоторых транзисторов статические входные характеристики располагаются очень близко друг к другу. В этом случае приближенно считают, что входная динамическая характеристика совпадает со статической снятой при Uк > 0,5 - 5 В. При выборе динамического режима работы транзистора, работающего в качестве усилителя малых сигналов низкой частоты, следует помнить, что: 1) Изменения переменных токов и напряжений должно происходить только в активной области, не заходя в область насыщения и отсечки. 2) Динамический режим работы транзистора ограничен максимально допустимыми значениями: а) Iэ макс – максимально допустимый ток эмиттера, определяемый мощностью эмиттерного перехода; б) Uк макс – максимально допустимое напряжение коллектора, определяемое напряжением пробоя; в) Pк макс доп – допустимая мощность рассеивания коллекторного перехода. На рис. 2.7 показана область, за пределы которой не должна выходить рабочая точка при работе транзистора в качестве усилителя. 3) Если ставится условие работы без нелинейных искажений, т.е. условие точного воспроизведения на выходе транзистора формы сигнала, поданного на вход, то изменения переменных токов и напряжений должны происходить на участке выходной динамической характеристики, для которого изменения выходного тока прямо пропорциональны изменениям входного тока. Кроме того, т.к. нелинейные искажения в транзисторах в очень большой степени определяются нелинейностью входной динамической характеристики, необходимо, чтобы изменения переменных токов и напряжений лежали бы на прямолинейном участке входной динамической характеристики. В соответствии с этими условиями определяются значения сопротивления нагрузки Rн и постоянных напряжений, подаваемых на эмиттерный и коллекторный переходы. В качестве примера рассмотрим одиночный каскад усилителя на транзисторе (рис.2.8). В данной схеме используется фиксированное смещение от отдельного источника Eсм, с помощью которого задается положение рабочей точки на входной динамической характеристике. Величина Rн составляет, как правило, несколько кОм, что значительно меньше выходного сопротивления, а Eк – порядка 10 В.   Рис. 2.7 Область, за пределы которой не должна выходить рабочая точка усилителя   Рис. 2.8 Схема усилительного каскада с ОБ   Положим, что статические характеристики транзистора показаны на рис.2.9 и что заданы Rн и Eк. Выходную динамическую характеристику можно построить по двум точкам. Считаем, что входная динамическая характеристика совпадает со статической, снятой при Uк = -5 В. Если задано условие получения минимальных нелинейных искажений, то изменения переменных токов и напряжений на динамических характеристиках не должны выходить за пределы участка аб рис. 2.9. Участок динамической характеристики, в пределах которого происходят измене-ния переменных токов и напряжений, называется рабочим участком.   Рис. 2.9 Статические входные характеристики транзистора   Если на вход транзистора подается синусоидальный сигнал вида , то для того, чтобы обеспечить работу на выбранном рабочем участке аб, на вход надо подать переменный сигнал с амплитудой и постоянную составляющую тока Точка на динамической характеристике, местоположение которой определяет режим работы по постоянному току, называется рабочей точкой покоя (точка А на графике, см. рис. 2.9). Очевидно, что если известны Iэ = и Imэ, то из графика можно определить постоянные составляющие Uэ=, Iк=, Uк= и амплитуды переменных составляющих составляющие Umэ, Imk, Umk. Тогда легко можно рассчитать: 1) Динамический коэффициент усиления по току 2) Динамический коэффициент усиления по напряжению 3) Динамический коэффициент усиления по мощности

^.

4) Входное сопротивление переменному току

5) Выходное сопротивление переменному току