Динамічні характеристики каскадів

У розрахунках електричних характеристик підсилювальних кас­кадів використовуються такі динамічні характеристики:

- вихідна — залежність вихідного струму бід вихідної напруги, для БТ , для ПТ ;

- вхідна — залежність вхідного струму від вхідної напруги, для БТ . Для ПТ ця характеристика не використовується, оскіль­ки вхідні струми цих підсилювальних елементів дуже малі;

- прохідна — залежність вихідного струму від вхідної напруги, для БТ – це , для ПТ , для розрахунків кас­кадів на БТ ця залежність звичайно не використовується;

- наскрізна (крізна) — залежність змінної складової вихідного струму від напруги джерела сигналу.

Одночасно розрзняють динамічні характеристики постійного та змінного струмів.

Динамічна вхідна характеристика постійного струму відповідає випадку відсутності сигналу на вході підсилювального каскаду:

, звідки ,

де — напруга живлення;

— опір навантаження постійному струму.

Графічно–динамічна характеристика становить собою пряму на вихідних статичних характеристиках підсилювального елемента, що проходить через точку по осі напруги під кутом (рис. 6.15), тангенс якого обернено пропорційний опору .

Під час побудови цієї характеристики за тангенсом кута її нахилу необхідно враховувати масштабні коефіцієнти за осями стру­мів та напруг

де m₁, m₂ — масштабні коефіцієнти вісів відповідно напруги і струму.

Рисунок 6.15 – Вхідні (а) та вихідні (б) ВАХ біполярного транзистора

з побудованою графічно–динамічною характеристикою

Наприклад, якщо , , , тоді

; .

Положення робочої точки (точки спокою) визначається перехре­щенням статичної характеристики підсилювального елемента для за­даного значення струму бази та динамічною характеристикою. Вхідна динамічна характеристика практично збігається зі статич­ною, якщо .

Побудова вихідної динамічної характеристики ПТ не відрізняє­ться від відповідної побудови для БТ.

Необхідно зазначити, що така побудова не враховує спаду на­пруги на резисторі у колі емітера (витоку). Спад напруги на цьому резисторі вибирають приблизно , тоді побудова починаєть­ся від точки .

Динамічна характеристика за постійним струмом використовуєть­ся дня визначення положення робочої точки відповідно до потрібного режиму підсилювального елемента.

Вибір положення робочої точки істотно відрізняється для підси­лювачів, які працюють з великими та малими сигналами. Для вихідних каскадів підсилювачів, які працюють з великими сигналами, основною вимогою є досягнення максимальної потужності, що відповідає повному використанню транзистора. У такому разі робочу точку вибирають при­близно на середині робочої ділянки динамічної характеристики і якомо­га ближче до початку координат площини вихідних характеристик; ос­таннє забезпечує максимальний ККД. Якщо підсилювач працює в режимі малих сигналів, доцільно вибирати положення робочої точки в області малих струмів та напруг, що збігається з вимогами мінімального рівня власних шумів транзистора. Після того, як положення робочої точ­ки зафіксовано, визначаються параметри підсилювального елемента в робочій точці.

Динамічна характеристика за змінним струмом відповідає дії на вході підсилювального каскаду напруги сигналу і використовується для визначення вихідного струму підсилювального елемента, який у цьому разі, крім постійної складової , містить також і змінну , тобто

.

Вираз для приймає вигляд

або

,

де — опір навантаження змінного струму.

Цей вираз є рівнянням прямої, що описує, вихідну динамічну (наванта­жувальну) характеристику змінного струму і проходить через робочу точку з координатами , під кутом (рис. 6.16, б), тангенс якого обернено пропорційно активній складовій опору навантаження змінного струму, тобто

.

Рисунок 6.16 – Вхідна (а) і вихідна (б) динамічні характеристики

Для побудови цієї характеристики доцільно використовувати відрізки, які відповідають приросту струму та напруги . Відрізком (або ) задаються довільно, а потім обчислюють другий відрізок ( ) і визначають положення додаткової точки , яка знаходиться на перпендикулярі відкладе­ного від кінця відрізка . Навантажувальна характеристика змін­ного струму при цьому проходить через робочу точку та зазначе­ну точку . Для даної побудови можна також скористатися методом па­ралельного перенесення в робочу точку прямої, яка проходить че­рез точку під кутом нахилу .

За наявності вихідної динамічної характеристики починають по­будову вхідної чи наскрізної характеристики.

Якщо струм бази транзистора залежить тільки від різниці потен­ціалів між базою та емітером і не залежить від напруги на колекторі, що спостерігаємо за достатньо великими напругами, на колекторі статична і динамічна вхідні характеристики практично збігаються як це показано на рис. 6.16, а (неперервна лінія), у противному разі — суттєво відрізняються (пунктирна лінія).

Наскрізна динамічна характеристика будується звичайно для змінних складових струмів та напруг. Для цього початок коорди­нат переносять у робочу точку (рис. 6.17). Оскільки у вхідному колі тече струм, напруга джерела сигналу відрізняється від на­пруги між базою та емітером транзистора

,

де — внутрішній опір джерела сигналу.

Рисунок 6.17 – Наскрізна динамічна характеристика підсилювального каскаду на біполярному транзисторі

Згідно з цим виразом визначаються координати точок

,

.

Під час побудови характеристик слід враховувати, що для вми­кання зі спільним емітером , , зі спільною базою , , а щодо уніполярних транзисторів, то для вмикання зі спільним витоком , і зі спільним затвором , .

Динамічні характеристики використовуються для визначення ос­новних показників підсилювального каскаду. Так, вихідна потужність та коефіцієнт ККД визначаються вихідними динамічни­ми характеристиками змінного струму

,

,

де — напруга джерела живлення;

— сумарний споживаний каска­дом струм .

Коефіцієнт підсилення визначається за сумісним використанням вхідних та вихідних характеристик.

Додатково за допомогою цих характеристик може бути визначено рівень нелінійних спотворень та корисна вихідна потужність першої гар­моніки напруги сигналу. З цією метою для схем на електронних лампах польових транзисторів використовують прохідну чи вихідну динамічну характеристику змінного струму, а для каскадів на БТ – наскрізну.

6.4 Запитання та завдання для самоконтролю

1. Яким чином впливає на режим роботи підсилювального каскаду резистор навантаження та його зміна?

2. Визначте, які схеми підсилювальних каскадів забезпечують найбільшу стійкість до впливу дестабілізуючих факторів.

3. Нарисуйте електричні схеми та поясніть принцип дії і призначення елементів: а) схеми живлення з автоматичним зміщенням підсилювачів на польових транзисторів; б) схеми живлення МДН-транзисторів у режимах збідення та збагачення; в) підсилювача на біполярному транзисторі з фіксованим струмом бази; г) підсилювача на біполярному транзисторі з фіксованою напругою база-емітер; д) підсилювача на біполярному транзисторі з фіксованим струмом емітера; е) підсилювача на біполярному транзисторі з колекторною стабілізацією.

4. Які принципи функціонування схеми ГСС?

5. Яким чином здійснюється керування струмом ГСС?

6. Нарисуйте електричні схеми послідовного й паралельного живлення базового кола підсилювача на біполярному транзисторі й посніть призначення елементів.

7. Які методи здійснення температурної компенсації застосовують у схемах каскадів підсилення?

8. Яким чином розраховують ККД підсилювача по його динамічних характеристиках?

9. Розробити схему підсилювального каскаду спільний виток–затвор або спільний емітер, що забезпечує задане полонення робочої точки. Характеристики різних типів транзисторів зображені на рис. 6.4.

Література [19-27]