Выбор рабочей точки и построение кривых тока и напряжения

 

Включение сопротивления нагрузки Rн в цепь усилительного элемента существенно влияет на его токи и напряжения. Рассмотрим схему усилителя с общим эмиттером на биполярном транзисторе npn – типа (смотрите рисунок 3.2), в котором роль нагрузки выполняет резистор Rн.

В цепь источника питания с ЭДС Ек последовательно включены сопротивление нагрузки Rн и транзистор.

На основании законов Кирхгофа:

Ек=Uкэ + Uн, (3.2)

 

где Uкэ и Uн – напряжения на транзисторе и нагрузке постоянной, то с изменением тока Iк, протекающего по сопротивлению Rн, падение напряжения на нем Uн изменится, а значит, напряжение Uкэ также изменится. Эту зависимость в соответствии с уравнением (3.2) можно выразить следующим образом:

Uкэ=Ек – IкRн (3.3)

 

В общем случае уравнение (3.3) можно записать:

Uуэ = E – IвыхRн. (3.4)

 

Таким образом, при работе усилительного элемента с нагрузкой в выходной цепи напряжение Uуэ является функцией выходного тока, который в свою очередь изменяется при изменении входного напряжения.

Например, напряжение Uвх прямое увеличивается, следовательно, токи I_Б и I_К увеличатся. Вследствие этого напряжение Uн на нагрузке увеличивается, что приводит к уменьшению напряжения Uкэ. Следовательно, при наличии нагрузки выходной ток Iк, являясь функцией выходного напряжения, в свою очередь приводит к изменению этого напряжения.

Динамическими характеристиками называют зависимости между мгновенными значениями напряжений и токов в цепях усилительного элемента при наличии в этих цепях внешних сопротивлений.

Выходная динамическая характеристика – это зависимость Iвых = ¦ (Uвых) при наличии сопротивления нагрузки в выходной цепи.

Нагрузочная линия – это динамическая характеристика, построенная на статических выходных характеристиках усилительного элемента в соответствии с выражением (3.4).

Построим нагрузочную линию постоянного тока для биполярного транзистора, собранного по схеме с общим эмиттером (смотрите рисунок 3.2).

Уравнение нагрузочного режима для этого случая имеет вид уравнения (3.3). Представим это уравнение как зависимость Iк = ¦ (Uкэ):

IкRн = Ек – Uкэ, Iк = (Ек – Uкэ)/Rн. (3.5)

 

Уравнение (3.5) является уравнением прямой линии, которую можно построить по двум точкам А и В, отложенным на осях координат (рисунок 3.7).

При Iк = 0 из этого уравнения получаем Ек = Uкэ. Откладывая по оси абсцисс Uкэ = Ек, получим одну точку А нагрузочной линии. При Uкэ = 0 получим Ек = IкRн, следовательно, Iк = Ек/Rн.

Откладывая по оси ординат это значение тока, получаем вторую точку В нагрузочной линии.

Прямая, соединяющая точки АВ, является искомой нагрузочной линией по постоянному току для биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Рисунок 3.7 – Нагрузочные прямые постоянного и переменного тока	Нагрузочная прямая позволяет определить для каждого значения тока Iк соответствующее ему значение Uкэ при данном сопротивлении нагрузки Rн и ЭДС источника питания Ек. Аналогично строят нагрузочные прямые для полевого транзистора и электронной лампы. Угол наклона нагрузочной прямой к оси абсцисс определяется сопротивлением нагрузки:ctg j = Rн. Очевидно, что при неизменной ЭДС нагрузочная прямая пройдет тем ниже, чем больше Rн (рисунок 3.8). Точка пересечения нагрузочной прямой со статичес4кой выходной характеристикой, построенной при постоянном Uвх, равном напряжению смещения для полевых транзисторов и электронных ламп, а для биполярных транзисторов – при входном токе, равном току смещения, является точкой покоя в семействе выходных характеристик усилительного элемента.
Рисунок 3.8 – Нагрузочные прямые постоянного тока при различных	В точке покоя определяются, соответственно, ток покоя и напряжение покоя. Если в схеме усилителя цепи переменного и постоянного токов на выходе раз­деляются, то нагрузка усилительного элемента по постоянному и переменному токам будет различной. При построении нагрузочных характеристик для пе­ременного тока надо учитывать наличие реактивных элементов — емкостей и индуктивностей в схеме, то есть то, что в общем случае сопротивление нагруз­ки комплексное. Однако сопротивление нагрузки подбирают обычно так, чтобы можно было пренебречь влиянием реак­тивных сопротивлений на общее эквива­лентное сопротивление. В этом случае на­грузку по переменному току допустимо считать активной.
Рисунок 3.9 – Схема усилителя с нагрузкой по переменному току	Например, на рисунке 3.9 конденсатор СР разделяет пути постоянной и перемен­ной составляющих выходного тока, так как для постоянной составляющей со­противление Хс близко к бесконечности. В данной схеме нагрузкой для постоянного тока является Rн, а для переменного тока – результирующее сопротивление при параллельном соединении Rк и Rн: R~=RкRн / (Rк+Rн). (3.6)   Очевидно, что сопротивление R~ меньше, чем Rн. Поэтому уравнения нагру­зочного режима и линии нагрузочного режима для постоянного и переменного токов будут различаться между собой.

При активном характере сопротивления нагрузки линия нагрузочного режи­ма для переменного тока также будет прямой. Эта прямая обязательно пройдет через точку покоя М (рисунок 3.7), так как в отсутствие сигнала в режиме покоя вы­ходной ток Iк = Iко.

 

При подаче на вход транзистора вместе с постоянным напряжением смещения переменного напряжения сигнала u_вх = U_{вх m} sin wt ток в выходной цепи будет меняться в такт с изменениями входного сигнала. При этом выходной ток будет представлять собой сумму двух токов: постоянного Iко и переменного i_к = I_{к m} sin wt.

i_вых = Iко + I_{к m} sin wt. (3.7)

 

Выходное напряжение также будет меняться в зависимости от мгновенного значения переменной составляющей выходного тока. Уравнение нагрузочного режима будет иметь вид:

u_кэ = Ек – (IкоRк + i_кR_~) = (Ек – IкоRк) - i_кR_~ = Uкэо - i_кR_~. (3.8)

Точка М является общей для обеих нагрузочных прямых. Вторую точку, С, найдем на оси токов, взяв u_кэ = 0. В этой точке Uкэо = i_KR_~ и, следовательно, мгновенное значение переменной составляющей i_K = Uкэо / Rк~. Результирующий ток в точке С равен сумме двух токов

I= Iко +Uкэо / R_~ (3.9)

 

Нагрузочная прямая CD переменного тока проходит под большим углом к оси напряжений, чем нагрузочная прямая постоянного тока АВ.

Если сопротивление Rn» R_K, то сопротивление по переменному току R_~» R_К, и обе нагрузочные прямые практически совпадают. Кроме выходных имеются также и входные динамические характеристики. Так как полевые транзисторы и электронные лампы в основном работают без входных токов, то для них входные динамические характеристики специально не строят.

У биполярных транзисторов в большинстве случаев сопротивление нагрузки переменному току R_~ намного меньше выходного сопротивления Rвых. В этом случае наличие нагрузки в выходной цепи, работающей практически в режиме короткого замыкания, не влияет на входное сопротивление транзистора, поэтому и в случае биполярного транзистора динамическая входная характеристика прак­тически совпадает со статической.

Рисунок 3.10 – Зависимости, поясняющие работу транзистора в нагрузочном режиме

На основе нагрузочной линии по переменному току произведем графический анализ работы биполярного транзистора в нагрузочном режиме (рисунок 3.10). На вход схемы в точки база-эмиттер поданы напряжение смещения UБЭО для выбора точки покоя М при данном напряжении Uкэо и входное напряжение uвх = Uвх. m sin wt. Под действием этого напряжения соответственно изменяются токи IБ и IК. Точку покоя переносим на входные характеристики транзистора и, зная IБ max и IБ min, определяем на нагрузочной прямой для переменного тока соответствую­щие им точки IKmin и IКmax. Проекции этих точек на ось UKЭ позволяют определить напряжения UKЭmin и UКЭmax. Обратите внимание на то, что току IКmах соответствует напряжение UKЭmin a току Iк min - UКЭ max. Таким образом, при подаче на вход переменного напряжения сигнала меняет­ся соответственно и ток Iк, и напряжение Uкэ.

С помощью выходной нагрузоч­ной линии (рисунок 3.10) можно определить выходную мощность усиленного сигна­ла Рвых = I_Km U_{KЭ m}/2 и мощность, потребляемую от источника в режиме покоя:

Ро = IкоЕк,

 

также КПД:

h = Рвых / Ро.

 

Обратите внимание на то, что с ростом амплитуды входного сигнала уве­личивается амплитуда тока Iк, а амплитуда напряжения U_KЭ, соответственно, уменьшается, и в точке N транзистор входит в режим насыщения. Напомним, что в режиме насыщения оба перехода открыты, а это означает, что прямое вход­ное напряжение на эмиттерном переходе по абсолютной величине превысило обратное напряжение Uкэ и коллекторный переход тоже открылся. При подаче на вход биполярного транзистора, работающего в активном режиме, обратно­го напряжения, которое по абсолютной величине больше прямого напряжения смещения, эмиттерный переход закроется и транзистор попадает в режим от­сечки.

Таким образом, работа усилителя на биполярном транзисторе ограничена в двух точках — в точке N транзистор входит в режим насыщения, а в точке К — в режим отсечки.

 

ВЫВОДЫ:

1. При работе усилительного элемента в нагрузочном режиме с изменением вход­ного напряжения меняется не только выходной ток, но и выходное напря­жение.

2. Выходная нагрузочная характеристика усилительного элемента при активном характере сопротивления нагрузки является прямой линией и поэтому может быть построена по двум точкам.

3. Угол наклона нагрузочной прямой тем меньше, чем больше сопротивление нагрузки.

4. Нагрузочные прямые постоянного и переменного токов пересекаются в точке покоя.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: