Основы радиоэлектроники и связи

8. Прохождение детерминированных сигналов через активные линейные цепи : 8.3. Усилители низкой частоты

8.3.2 Графический анализ усилительного каскада с ОЭ

Графический анализ каскада с ОЭ сводится к построению по известным семействам cтатических входных и выходных характеристик транзистора и сопротивлению резистора R_к так называемой динамической проходной характеристики (ДПХ). ДПХ позволяет выбрать режим каскада по постоянному току (рабочую точку), а также оценить величину амплитуды входного сигнала для обеспечения линейного режима работы усилителя.

Динамическими проходными характеристиками являются зависимости выходного тока или выходного напряжения от входного напряжения. Для каскада с ОЭ это будут зависимости i_к(u_бэ) или u_кэ(u_бэ). Для построения ДПХ используется уравнение, связывающее выходной ток с сопротивлением R_к. Это уравнение называется линией нагрузки по постоянному току. Из схемы рис.1 видно, что в соответствии с законом Кирхгофа в выходной цепи имеет место соотношение

Это линейное уравнение тока i_к относительно напряжения u_кэ может быть графически отражено на выходных характеристиках транзистора с ОЭ.

Точки пересечения семейства выходных ВАХ транзистора с линией нагрузки дают совокупность мгновенных значений выходных тока и напряжения в данном каскаде.

Рис.2 иллюстрирует графическое построение ДПХ каскада с ОЭ. Здесь на рис.2,а представлено семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ, на рис.2,б - семейство выходных ВАХ и линия нагрузки (утолщенная линия), построенная в соответствии с уравнением (1).

Рис.2

 

Состояние транзистора, определяемое точками пересечения ВАХ и линии нагрузки (ЛН), характеризуется конкретными значениями токов базы и коллектора, напряжений на промежутках база-эмиттер и коллектор-эмиттер. Для построения ДПХ удобно составить таблицу, в которой записываются координаты точек пересечения линии нагрузки и выходных ВАХ транзистора (см. табл.1).

Таблица 2.1

Эта таблица позволяет построить однозначные зависимости, связывающие выходные переменные с входными, а именно: i_к(u_бэ) или u_кэ(u_бэ), которые и являются динамическими проходными характеристиками. На рис.3 показаны примеры ДПХ каскада с ОЭ.

Рис.3

Для определения режима работы транзистора на участке ДПХ с наибольшей крутизной отмечается линейный участок (точки a, b), определяющий диапазон изменения входных и выходных переменных, а середина этого линейного участка (точка А) определяет режим каскада по постоянному току - рабочую точку транзистора. Рабочая точка характеризуется значениями I_к,0, U_бэ,0 и соответствующими им U_кэ,0 и I_б,0. Величина U_бэ,0 обычно называется напряжением смещения и обозначается Е_см.

На рис.4 с помощью ДПХ показано преобразование гармонического входного сигнала в режиме линейного усиления.

Рис.4

На линейном участке ДПХ амплитуда выходного тока I_m,к пропорциональна наклону (крутизне S) линейного участка ДПХ и амплитуде входного сигнала U_m,бэ , то есть I_m,к=SU_m,бэ , а амплитуда изменения напряжения на резисторе R_к равна I_m,к R_к .

Мгновенное напряжение на коллекторе равно

u_кэ=Е_к - I_m,кR_к Сos(w t),

а выходное напряжение (после разделительного конденсатора) будет равно

u_вых(t)= - I_m,кR_к Сos(w t).

Следовательно, амплитуда выходного напряжения определяется как

U_m,вых =U_m,вхSR_к ,

фаза же выходного напряжения отличается от фазы входного напряжения на 180⁰ . Следовательно, коэффициент передачи по напряжению каскада, определенный из графического анализа, равен

Графический анализ является ориентировочным для определения усилительных свойств каскада. Он не учитывает его частотных свойств, так как оперирует лишь со статическими характеристиками транзистора и линией нагрузки по постоянному току. Для более полного анализа усилительного каскада и определения его основных параметров и характеристик в режиме линейного усиления проводится анализ схемы по переменному току, в котором транзистор заменяется линейным четырехполюсником относительно выбранной в графическом анализе рабочей точки .

© Андреевская Т.М., РЭ, МГИЭМ, 2004