Режим работы усилительных каскадов

Возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных типа усилительных каскадов: с общим эмиттером (или с общим истоком); с общей базой (или с общим затвором); с общим коллектором (или с общим стоком).

Анализ работы усилительных каскадов на транзисторах в общем виде одинаков.

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на активном приборе (обеспечить требуемый режим). Ток и падение напряжения на активном приборе зависят от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик. Для их определения все усилительные каскады на одном активном приборе приводятся к эквивалентной схеме (рисунок 2.2), состоящей из последовательно соединенных резисторов R₁, R₂ и активного нелинейного прибора, токи и напряжения которого зависят от управляющего сигнала.

Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема

Резистор R₁ представляет собой эквивалентное активное сопротивление, через которое один из электродов электронного прибора (коллектор, сток, анод) подключен к источнику питания. Резистор R₂-эквивалентное сопротивление, через которое второй электрод электронного прибора подключен к другому полюсу источника питания.

Определить ток и падение напряжения нелинейной цепи можно аналитическим (используется очень редко) и графоаналитическим методами. Последний широко распространен в электронике в связи с тем, что позволяет проводить расчеты с помощью экспериментально определенных характеристик электронного прибора.

При использовании графоаналитического метода строится линия нагрузки по постоянному току. Она представляет собой вольт-амперную характеристику той части обобщенной цепи, в состав которой не входит нелинейньтй, управляемый внешним сигналом активный прибор. В общем случае последовательно с активным прибором могут быть включены нелинейные элементы и вместо прямой будет «кривая» нагрузки по постоянному току, причем система координат, в которой строится эта вольт-амперная характеристика, отличается от общепринятой. За напряжение. приложенное к ней, берется значение разности напряжений питания и падения напряжения на активном приборе. Поэтому точкой из которой строят вольт-амперную характеристику нагрузочной части, является точка с координатами Е_пит,0). Это основано на том, что ток в последовательной цепи во всех компонентах одинаков, а сумма падений напряжений на них равна напряжению источника питания:

(1)

При разных значениях управляющего сигнала токи и напряжения активного прибора будут изменяться, так же как ток I₀ и напряжение U₀. Задача анализа усилительных каскадов в статическом режиме сводится к нахождению геометрического места точек, где справедливо уравнение (1). Оно определяется как совокупность точек пересечения кривых семейства вольтамперных характеристик нелинейного активного прибора и вольт-амперной характеристики остальной (нагрузочной) части обобщенной цепи.

В рассматриваемом случае вольт-амперная характеристика резисторов R₁ и R₂ прямая линия. Она может быть построена по двум точкам, которые легко найти из рассмотрения крайних случаев, когда нелинейный прибор имеет бесконечно большое и бесконечно малое сопротивления. При его бесконечно большом сопротивлении I→0, а U₀=E_пит.

При бесконечно малом внутреннем сопротивлении →U₀→0, а I₀=Е_пит/(R₁+R₂).

Все возможные значения токов и напряжений на нелинейном приборе лежат в точках пересечения его вольт-амперной характеристики с линией нагрузки по постоянному току. Нетрудно убедиться, что условие (1) выполняется во всех точках пересечения семейства вольт-амперных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Задавая различный управляющий сигнал на входе электронного прибора, меняют положение его рабочей точки и соответственно ток покоя и падение напряжения на компонентах цепи.

Построим линию нагрузки для усилительного каскада (рисунок 2.3а), используя семейство коллекторных вольт-амперных характеристик транзистора для схемы с ОЭ (рисунок 2.3б). Рассмотрим два крайних случая. При сопротивлении транзистора, стремящемся к бесконечности, I_к→0 и напряжение питания Е_к падает на транзисторе.

а) б)

а) ‑ Усилительный каскад с ОЭ, б) ‑ пример построения линии нагрузки

Рисунок 2.3 – Вольт-амперная характеристика обобщенной цепи

На графике получаем первую точку нагрузочной прямой, расположенную на оси U_кэ и соответствующую U_кэ=Е_к.

При нулевом сопротивлении транзистора U_кэ = 0. Напряжение питания падает на резисторах R_к и R_э. Ток в цепи I_к=Е_к/(R_к+R_э). это дает вторую точку нагрузочной прямой с координатами U_кэ=0, I_к.

Соединив полученные точки прямой линией, получим линию нагрузки по постоянному току. Все возможные токи и падения напряжения в данной цепи лежат в точках пересечения линии нагрузки по постоянному току с кривыми семейства вольтамперных характеристик транзистора. Если, например, в цепи базы задан ток I_БЗ, то падение напряжения на транзисторе U_кэ0 и его ток I_к0 будут определяться положением точки 0. Если входной ток изменим до I_Б2, то ток и падение напряжения на транзисторе будут определяться положением точки b и т. п.

Таким образом, положение рабочей точки нелинейного активного прибора однозначно определяется сигналом, поданным на его управляющий вход.

Усиление сигнала происходит за счет того, что изменения токов и напряжений в коллекторной цепи больше входного сигнала. действительно, если входной сигнал изменит ток базы транзистора от начального значения I_БЗ до I_Б1, то ток коллектора изменится от I_к0 до I_Ка, а падение напряжения—от U_кэ0 до U_КЭа. Эти изменения значительно больше сигнала, вызвавшего их.

Методика построения линии нагрузки не зависит от типа нелинейного прибора.

Рабочую точку U₀, I₀ в общем случае выбирают исходя из режима, в котором должен работать электронный прибор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения U_m и связанного с ним тока I_m.

Для биполярных и полевых транзисторов значения тока в точке покоя от 100 мкА до нескольких мА.

2.3 АНАЛИЗ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ В РЕЖИМЕ DC ANALYSIS

Для проведения анализа по постоянному току, необходимо построить с помощью схемного редактора MICROCAP 9 схему для снятия выходных ВАХ биполярного транзистора.

Рисунок 2.4 ‑ Схема для снятия выходных характеристик биполярного транзистора

Для построения схемы необходимо внести на рабочее поле необходимые компоненты с заданными параметрами.

Выбор параметров источника сигнала представлен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Ввод параметров источника сигнала

Далее необходимо внести на схему источник питания и транзистор. Параметры источника питания и транзистора представлены на рисунке 2.6.

а)

б)

а) выбор транзистора, б) источник питания

Рисунок 2.6 – Параметры элементов схемы

Запустить анализ по постоянному току DC. Установить масштабы по оси абсцисс X range и по оси ординат Y range.

В строках Variable 1, Variable 2 задаются первая и вторя варьируемые переменные (рисунок 2.7). В графе Method выбирается метод варьирования переменной (Auto-выбираемый автоматически, Linear-линейный, задаваемый в графе Range по формату Final[Initial[Stip]], если опустить параметр Stip (шаг), то шаг будет принят равным (Final-Initial)/50, если опустить параметр Initial, то начальное значение будет положено равным нулю, если изменяется только один источник, то можно оставить строку пустой). Таким образом, запись 10, 0,.5 означает варьирование тока от 0 до 10 Ампер, через 0,5 Ампер.

В строках X Expression задаётся математическое выражение переменной, откладываемой по оси Х. В строке Y Expression, задаётся математическое выражение переменной, откладываемой по оси Y.

X Range и Y Range указываются максимальные и минимальные значения переменных X и Y соответственно на графике, если минимальное значение равно нулю, его можно не указывать. Для автоматического выбора диапазона переменных в этой графе указывается Auto.

Рисунок 2.7 – DC Analysis Limits

Построить семейство выходных ВАХ биполярного транзистора (рисунок 2.8), нажав кнопку RUN.

Рисунок 2.8 ‑ Семейство выходных ВАХ биполярного транзистора

Построить на одном графике с семейством выходных характеристик транзистора прямую линию ограничения тока покоя транзистора на уровне 0.8×I_CMAX и кривую ограничения тока коллектора по максимальной мощности, рассеиваемой транзистором . Для этого надо вызвать диалоговое окно DC analysis limits, нажав клавишу <F9>; добавить командой Add два графика в существующее графическое окно, и внести в их поля Y expressions вышеуказанные формулы. Запустить анализ, нажав кнопку RUN.

Рисунок 2.9 – Построение линии ограничения тока покоя транзистора

Рисунок 2.10 ‑ Семейство выходных ВАХ биполярного транзистора и линия ограничения тока покоя транзистора

Далее необходимо построить на графиках ограничительную линию нагрузки. Пример построения приведён на рисунке 2.11. Одна точка этой линии находится на оси напряжений V_CE и определяется заданным напряжением питания каскада E_C — точка С. Вторая точка находится на оси токов I_C — точка D. Суммарное сопротивление в цепи эмиттера и коллектора однокаскадного усилителя R_S=R_E+R_C должно удовлетворять неравенству , т. е. линия нагрузки каскада на переменном токе должна лежать выше ограничительной нагрузочной прямой. В усилительном каскаде с резистором в коллекторной цепи R_C, удовлетворяющим приведенному неравенству, при подключении нагрузки не будет уменьшаться амплитуда переменной составляющей выходного напряжения из-за её деления резистивным делителем R_C–R_LOAD. Таким образом, только при выполнении данного ограничения мы можем рассчитывать на получение максимальной амплитуды выходного сигнала, требуемой заданием. Для рисования ограничительной линии нагрузки на постоянном токе следует воспользоваться командами рисования графических объектов, открываемыми нажатием на пиктограмму . После перечисленных построений графическое окно с семейством характеристик и ограничительными линиями должно иметь вид, близкий к представленному на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 ‑ Графоаналитический синтез усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Используя команды рисования графических объектов , построить линию нагрузки на постоянном токе усилительного каскада таким образом, чтобы она не зашла в запрещенные области (показанные на рисунке 2.11 штриховкой). Примерное положение линии нагрузки на постоянном токе (ЛН=) представлено на рисунке 2.11. отрезком прямой FC.

Определить суммарное сопротивление R_S=R_C+R_E, используя ординату точки пересечения линии нагрузки на постоянном токе с осью тока I_C.

Рассчитать требуемые сопротивления в цепи эмиттера R_E и коллектора R_C:

; .

Учитывая то, что резистор R_E заземляется по переменной составляющей, и то, что к коллектору транзистора подключается сопротивление нагрузки, линия нагрузки по переменному току ЛН~ будет иметь более крутой наклон, чем линия нагрузки по постоянному току ЛН= (рисунок 2.11). Для обеспечения максимального размаха напряжения на нагрузке при заданном напряжении питания необходимо так выбрать точку покоя каскада — точку А (рисунок 2.11), чтобы отрезки линии нагрузки на переменном токе [B~,A] и [A, C~] были бы приблизительно равны.

Определить приближенно ток базы покоя усилительного каскада. Приближенно он может быть определен по семейству выходных характеристик и известному значению напряжения коллектор-эмиттер в точке покоя V_CEA. Для этого из точки на оси абсцисс с координатами (V_CEA, 0) строится перпендикуляр до пересечения с линией нагрузки по постоянному току — т. А. Для приближенного расчета тока базы покоя I_BA, используются близлежащие кривые семейства выходных характеристик транзистора. На рисунке 2.11 — это характеристики, построенные при токах базы I_B₆ и I_B₇. Очевидно, что грубо приближенно ток базы покоя I_BA может быть определен как (рисунок 2.11).

Рассмотрим схему представленную на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 – Схема содержащая найденные параметры

В результате проделанных операций стали известными следующие данные: I_к0, U_кэ0, I_б0, U_бэ0.

Представим Rс как Rб, а Re как Rэ, тогда:

Чтобы определить необходимо вызвать диалоговое окно DC analysis limits и задать необходимые параметры (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 ‑ DC Analysis Limits для определения кривой

После чего получится график представленный на рисунке 2.14. На этом графике необходимо отметить найденный ток базы I_б0, после чего определяется (рисунок 2.14).