Графическое представление работы усилительного каскада

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений.

На выходных характеристиках проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току, представляющую собой геометрическое место точек, координаты U_КЭ и I_К которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя. Построение линии нагрузки каскада удобно провести по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода и короткого замыкания:

¨ точка B: I_КП =0, U_КЭП = E_К — режим холостого хода;

¨ точка А: U_КЭП = 0, I_КП = — режим короткого замыкания.

На рис. 6.10 АВ — нагрузочная прямая, соответствующая сопротивлению R_К.

Любому току базы соответствуют вполне определенные значения тока коллектора и коллекторного напряжения. Так, например, если в режиме покоя (до поступления входного переменного сигнала) был установлен ток базы I_Б2, то рабочая точка P на нагрузочной прямой укажет соответствующие этому току значения I_КП и U_КЭП.

Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения в динамическом режиме. Она мало отличается от статической, так как незначительно зависит от U_КЭ.

Переходные характеристики строятся по выходным:

¨ статические — для U_КЭ = const (близкие для разных U_КЭ);

¨ динамические — для E_К, R_К по точкам пересечения с нагрузочной прямой.

Сигналы на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180⁰. Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закона изменения сигнала (в данном случае, сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время, поворачивает его фазу на 180⁰.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку P располагают на середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора.

Положение рабочей точки P соответствует току смещения в цепи базы I_БП. Для задания I_БП служит резистор R_Б в схеме. Величину сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

R_Б = , (6.17)

где I_БП и I_КП — постоянные составляющие тока базы и коллектора в выбранных рабочих точках P’ и P соответственно.

Таким образом, для выбора элементов каскада задаются точкой покоя и диапа­зо­ном изменения токов и напряжений в тран­зис­торе.

Рабочая точка движется относительно точки покоя по нагрузочной прямой.

Режим работы транзистора, при котором рабочая точка P не выходит за пределы участка CD нагрузочной прямой, называется линейным или усилительным режимом. При этом с изменением входного (базового) тока пропорционально изменя­ет­ся выходной (коллекторный) ток. На рис. 6.11 линейный режим показан активной областью I.

Если входной ток I_{Б max} = I_{Б нас} (точка С), то дальнейшее его увеличение не приводит к росту коллекторного тока, который достигает тока насыщения I_{К нас}. При этом напряжение на коллекторе U_{КЭ нас} весьма невелико (U_{КЭ нас} << E_К). В режиме насыщения оба перехода транзистора смещаются в прямом направлении, а транзистор можно представить в виде замкнутого ключа. Условием насыщения транзистора является неравенство:

I_Б ³ I_{Б нас.}

Ток коллектора в режиме насыщения

I_{К нас} = (6.18)

Определяется только параметрами внешней цепи.

Область насыщения II расположена левее неуправляемого участка статической коллекторной характеристики. Если оба перехода транзистора смещены в обратном направлении, то через них могут проходить обратные неуправляемые токи. При этом в коллекторной цепи проходит ток I_К = I_КБ0, а в базовой — I_Б = – I_КБ0. Напряжение на коллекторе U_{КЭ отс} практически равно напряжению источника питания E_К. Следовательно, транзистор в области отсечки III представляет собой разомкнутый ключ.

Максимально допустимый ток коллектора транзистора I_{К доп} должен быть больше наибольшего мгновенного значения тока коллектора в каскаде, то есть

I_{К max} = I_КП + I_{К m} < I_{К доп},

где I_{К m} — амплитуда переменной составляющей.

По напряжению транзистор обычно выбирают с учетом соотношения:

U_{КЭ доп} > E_К.

Мощность P_К = U_КП×I_КП, рассеиваемая в коллекторном переходе транзистора, должна быть меньше максимально допустимой мощности P_{К доп} транзистора. Кривая предельно допустимой мощности представляет собой гиперболу, для каждой точки которой U_КЭ×I_К = P_{К доп.}

Таким образом, расчет каскада по постоянному току решает задачу выбора элементов схемы для получения в нагрузке необходимых параметров выходного сигнала.